Krachtige laserpulsen gericht op kleine plekken om ongelooflijke intensiteiten te bereiken, maken een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk, variërend van wetenschappelijk onderzoek tot industrie en geneeskunde. In het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, bijvoorbeeld, intensiteit is de sleutel tot het bouwen van deeltjesversnellers die duizenden keren korter zijn dan conventionele versnellers die dezelfde energie bereiken. Echter, laser-plasmaversnellers (LPA's) vereisen een aanhoudende intensiteit van vele centimeters, niet alleen een puntfocus die snel uitbreidt vanwege diffractie.

Om aanhoudende intensiteit te bereiken, het BELLA-centrum, bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), maakt gebruik van dunne holle structuren, of "haarvaten, " met een plasma om de lichtpulsen te transporteren. Wetenschappers van het BELLA Center hebben steeds langere haarvaten gepusht terwijl ze streven naar hogere bundelenergieën met hun LPA's.

Hun nieuwste werk toont, met een hogere precisie dan ooit tevoren, dat deze plasmagolfgeleiders extreem stabiel en reproduceerbaar van hoge kwaliteit zijn, en dat deze kenmerken kunnen worden gehandhaafd over afstanden tot wel 40 centimeter. Het bevestigt dat deze sleuteltechnologie voor LPA's kan worden opgeschaald naarmate het BELLA Center naar hogere energieën streeft, profiteren van potentiële toepassingen die variëren van biomedisch onderzoek en behandeling tot vrije-elektronenlaserlichtbronnen voor onderzoeksfaciliteiten.

Het werk, geleid door postdoctoraal wetenschapper Marlene Turner, werken met stafwetenschapper Anthony Gonsalves - wordt beschreven in een studie die in het tijdschrift is gepubliceerd Krachtige laserwetenschap en techniek .

"Dit werk laat zien dat capillairen extreem stabiele plasmadoelen kunnen produceren voor versnelling en dat waargenomen variaties in de prestaties van de versneller voornamelijk worden veroorzaakt door laserfluctuaties, wat aangeeft dat er behoefte is aan actieve laserfeedbackcontrole, " zei Cameron Geddes, directeur van de divisie Versnellingstechnologie en Technische Natuurkunde, moederorganisatie van het BELLA Center.

Plasmakanalen geven consistente begeleiding aan krachtige pulsen

Glasvezel kan laserstraalpulsen over duizenden kilometers transporteren, een bekend principe in moderne computernetwerken. Echter, met de hoge laserintensiteiten die worden gebruikt in BELLA Center (20 orden van grootte intenser dan het zonlicht op het aardoppervlak), elektronen zouden bijna onmiddellijk worden verwijderd van hun ouderatomen door het laserveld, het vernietigen van vaste materialen zoals glasvezels. De oplossing is om plasma te gebruiken, een toestand van materie waarin elektronen al uit hun atomen zijn verwijderd, als een "vezel".

Het BELLA Center heeft plasma's gebruikt om laserpulsen over afstanden tot 20 centimeter te geleiden om de hoogste lasergestuurde deeltjesenergie tot nu toe te bereiken. Het plasma wordt gecreëerd door een elektrische ontlading in het capillair. Dit is waar elektronen "surfen" op een golf van ultrahoog elektrisch veld dat is opgezet door de laserpuls. Hoe langer de aanhoudende focus, hoe sneller ze gaan aan het einde van de rit.

Echter, de gasafbraak bij een elektrische ontlading is een gewelddadige en grotendeels ongecontroleerde gebeurtenis (stel je een kleine, beperkte blikseminslag). Een pad uitstippelen naar steeds hogere energieën en precisiecontrole in het BELLA Center, onderzoekers moesten weten hoe reproduceerbaar de golfgeleidende eigenschappen zijn van de ene laserpuls naar de andere, en hoe goed elke laserpuls kan worden geleid.

Om golfgeleidende resultaten analoog aan een glasvezel te geven, de plasmadichtheid moet in het centrum het laagst zijn, met een profiel dat wiskundig wordt beschreven als parabolisch. "Wij lieten zien, met ongekende precisie, dat de plasmaprofielen inderdaad erg parabolisch zijn over de grootte van de laserpulsvlek die ze zijn ontworpen om te geleiden, "zei Gonsalves. "Dit zorgt voor pulsvoortplanting in de golfgeleider zonder kwaliteitsverlies."

Andere soorten plasmagolfgeleiders (er zijn verschillende manieren om ze te maken) kunnen met deze methoden ook met hoge precisie worden gemeten.

De meetprecisie was ook ideaal om te onderzoeken hoeveel het dichtheidsprofiel verandert van de ene laseropname naar de andere, want hoewel het capillair duurzaam is, het golfgeleidende plasma daarin wordt telkens opnieuw gevormd. Het team vond uitstekende stabiliteit en reproduceerbaarheid.

"Deze resultaten, samen met ons voortdurende werk aan actieve feedback, geholpen door machine learning-technieken, zijn een grote stap in het verbeteren van de stabiliteit en bruikbaarheid van laser-plasmaversnellers, " zei Eric Esarey, directeur van het BELLA Center. (Actieve feedback om laserfluctuaties te stabiliseren is ook het onderwerp van onderzoek en ontwikkeling in het BELLA Center.)

Geleide laserpulsen verlichten een pad naar vooruitgang

Laser-plasmaversnellingstechnologie zou de omvang en kosten van deeltjesversnellers kunnen verminderen, waardoor hun beschikbaarheid voor ziekenhuizen en universiteiten toeneemt, bijvoorbeeld, en uiteindelijk deze voordelen naar een deeltjesversneller van de volgende generatie voor hoge-energiefysica brengen. Een van de sleutels tot het verhogen van hun deeltjesbundelenergie tot boven het huidige record van 8 miljard elektronvolt (GeV) is het gebruik van langere versnellende kanalen; een andere is "ensceneren, " of het gebruik van de output van de ene acceleratiemodule als input voor de andere. Het verifiëren van de kwaliteit van het plasmakanaal waar de acceleratie plaatsvindt - en de consistentie en reproduceerbaarheid van die kwaliteit - geeft een blijk van vertrouwen in de technologische basis van deze plannen.

Afgezien van het feit dat deze op capillair gebaseerde golfgeleider van hoge en constante kwaliteit is, dit werk omvatte golfgeleiders die twee keer zo lang waren als degene die werd gebruikt voor het bereiken van recordbrekende energie. "De nauwkeurige golfgeleiders van 40 centimeter lang die we nu hebben ontwikkeld, zouden die energieën nog hoger kunnen duwen, ' zei Turner.