Het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een innovatief optisch systeem ontwikkeld en getest om de positie en richthoek van krachtige laserstralen nauwkeurig te meten en te regelen met een ongekende nauwkeurigheid. zonder de stralen te onderbreken of te verstoren. Het nieuwe systeem zal gebruikers in de wetenschap helpen om het meeste uit krachtige lasers te halen.

De experimentele validatie-inspanning werd geleid door promovendus Fumika Isono van Berkeley Lab en UC Berkeley. Haar bevindingen worden beschreven in een paper dat onlangs is gepubliceerd door het tijdschrift Cambridge University Press, Krachtige laserwetenschap en -techniek.

"Dit is een enorme vooruitgang op het gebied van meten en regelen waarvan wereldwijd krachtige laserfaciliteiten zullen profiteren, " zei Cameron Geddes, Directeur van de divisie Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) van Berkeley Lab, waarvan het BELLA Center deel uitmaakt.

Meting zonder storing

Mensen denken dat een laser zo nauwkeurig is dat hij in de taal overgaat als metafoor, maar gebruikers met veeleisende toepassingen weten dat laserstralen op kleine schaal bewegen als reactie op de trillingen en variabiliteit van zelfs de meest gecontroleerde laboratoriumomgeving.

"Het missen van het doel met slechts een paar micron kan het verschil maken tussen verbazingwekkende wetenschap en een ongewenste toevoeging aan achtergrondgeluid, ' zei Isono.

Aanwijshoekverschuivingen van minder dan een duizendste van een graad kunnen ook leiden tot ongewenste complexiteiten. Dat is waar diagnostische sensoren en feedbacksystemen in het spel komen.

Het is de kunst om deze parameters nauwkeurig en zonder de straal te onderscheppen te meten. Traditionele methoden ondermijnen ofwel de kracht van de straal enorm door de pulsen te onderscheppen (wat in ieder geval moeilijk is voor intense, krachtige bundels) of onnauwkeurigheden hebben omdat ze de bundel niet precies zo meten als geleverd. De innovatieve aanpak van het BELLA Center omvat het afsplitsen en bewaken van een exacte kopie van het grootlicht met laag vermogen, gereflecteerd door het achteroppervlak van een speciaal ontworpen laatste optiek in de bundellijn.

Het hart van deze nieuwe aanpak is een laserarchitectuur met drie belangrijke kenmerken. Eerst, het levert tegelijkertijd vijf krachtige pulsen en duizend low-power pulsen per seconde, allemaal dezelfde weg volgen. Tweede, het ontwerp van de bundellijn is geoptimaliseerd om de pulsen met hoog vermogen en laag vermogen op elkaar af te stemmen in grootte en divergentie. Eindelijk, het vervangt een van de spiegels van de reflecterende bundellijn door een innovatieve wigvormige reflector met speciale coatings op zowel de voor- als de achterkant.

Bijna de gehele hoofdbundel wordt gereflecteerd door het vooroppervlak van de optiek zonder dat dit anderszins merkbaar wordt beïnvloed. Een klein stukje van de straal, die misschien 1% van het ingangsvermogen vertegenwoordigen, plant zich voort door het vooroppervlak en wordt gereflecteerd door het achteroppervlak. Deze "getuigenbundel" gaat door alle volgende optica bijna parallel aan de hoofdbundel, met net genoeg omleiding voor eenvoudige plaatsing van meetinstrumenten. Het eindresultaat is een getuigestraal waarvan de richthoek en dwarspositie sterk gecorreleerd zijn aan die van de hoofdstraal.

Het resultaat, zei Isono, is "een meting die de hoofdlaserstraal niet verstoort, maar vertelt ons er heel nauwkeurig over."

Voordelen voor het BELLA Center en daarbuiten

Een doel in de nabije toekomst is om deze diagnose te gebruiken als onderdeel van een feedbacksysteem voor actieve stabilisatie van de transversale positie en aanwijshoek van de laser. Voorlopige studies met de laser van 100 terawatt in het BELLA Center waren veelbelovend. Het manuscript beschrijft het vooruitzicht om de kriebels op de krachtige 5 Hz laser te verwijderen door de laagvermogen 1 kHz laserpulstrein actief te stabiliseren. Trillingen en bewegingen van de laserstraal werden waargenomen op een schaal van enkele tientallen hertz, wat ruim binnen het bereik van een praktisch feedbacksysteem valt. Er wordt een vijfvoudige verbetering in positie en hoek van krachtige laserpulsafgifte verwacht.

De ontwikkeling van laser-plasma deeltjesversnellers (LPA's), dat is de primaire missie van het BELLA Center, illustreert het potentiële voordeel van deze innovatie. LPA's produceren ultrahoge elektrische velden die geladen deeltjes zeer snel versnellen, en biedt daarmee de belofte van een volgende generatie compactere, meer betaalbare versnellers voor een breed scala aan toepassingen. Omdat LPA's hun versnelling uitvoeren in een dunne holle buis, of "capillair, " ze zouden veel baat hebben bij een betere controle over de positie van de aandrijflaserstraal en de aanwijshoek.

Een directe toepassing in het BELLA Center is het gebruik van een lasergestuurde plasmaversneller (LPA) om elektronenstralen te leveren voor een vrije-elektronenlaser (FEL) - een apparaat dat heldere fotonpulsen produceert met een veel hogere energie en kortere golflengte dan zichtbaar licht.

"De undulator, de magnetische array in het hart van de FEL, stelt zeer strenge eisen aan de acceptatie van elektronenstralen, die rechtstreeks verband houdt met de laseraanwijshoek van de LPA-aandrijving en transversale fluctuaties, ' zei Isono.

De voorgestelde kBELLA, een lasersysteem van de volgende generatie dat een hoog vermogen combineert met een herhalingssnelheid in kilohertz, zal een andere waarschijnlijke toepassing zijn.

Interesse van laserlabs over de hele wereld wordt verwacht. "Dit werk is niet beperkt tot laser-plasmaversnelling, ", zegt Eric Esarey, directeur van het BELLA Center. "Het komt tegemoet aan een specifieke behoefte in de hele high-power lasergemeenschap, namelijk, het aantonen van een gecorreleerde low-power kopie van de high-power puls zonder significante interferentie. Overal waar een krachtige laserstraal met enige precisie moet worden afgeleverd voor elke toepassing, deze diagnose gaat een groot verschil maken. Denk aan laser-deeltjesbotsingsexperimenten, of laserinteracties met micron-precisiedoelen zoals haarvaten of druppeltjes."