Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een compacte multi-petawatt-laser ontworpen die plasmatransmissieroosters gebruikt om de vermogensbeperkingen van conventionele optische roosters in vaste toestand te overwinnen. Het ontwerp zou de constructie mogelijk maken van een ultrasnelle laser die tot 1000 keer krachtiger is dan bestaande lasers van dezelfde grootte.

Petawatt-lasers (quadrillion-watt) vertrouwen op diffractieroosters voor chirped-pulse amplification (CPA), een techniek voor het uitrekken, versterken en vervolgens comprimeren van een laserpuls met hoge energie om beschadiging van optische componenten te voorkomen. CPA, dat in 2018 een Nobelprijs voor natuurkunde won, vormt de kern van de geavanceerde radiografische capaciteit van de National Ignition Facility en van de voorganger van NIF, de Nova Laser, 's werelds eerste petawatt-laser.

Met een schadedrempel die enkele orden van grootte hoger is dan conventionele reflectieroosters, stellen plasmaroosters ons in staat "veel meer vermogen te leveren voor roosters van dezelfde grootte", zei voormalig LLNL-postdoc Matthew Edwards, co-auteur van een Physical Review Applied paper waarin het nieuwe ontwerp wordt beschreven dat op 9 augustus online is gepubliceerd. Edwards werd op het papier vergezeld door Pierre Michel, leider van de Laser-Plasma Interactions-groep.

"Glas focusseeroptiek voor krachtige lasers moet groot zijn om schade te voorkomen," zei Edwards. "De laserenergie wordt verspreid om de lokale intensiteit laag te houden. Omdat het plasma beter bestand is tegen optische schade dan bijvoorbeeld een stuk glas, kunnen we ons voorstellen een laser te bouwen die honderden of duizenden keren zoveel vermogen produceert als een huidig ​​systeem zonder dat systeem groter maken."

LLNL, met 50 jaar ervaring in het ontwikkelen van hoogenergetische lasersystemen, is ook al lange tijd toonaangevend in het ontwerp en de fabricage van 's werelds grootste diffractieroosters, zoals de gouden roosters die worden gebruikt om 500-joule petawatt-pulsen te produceren op de Nova-laser in de jaren 1990. Er zouden echter nog grotere roosters nodig zijn voor de volgende generatie multi-petawatt en exawatt (1.000 petawatt) lasers om de limieten op maximale fluentie (energiedichtheid) opgelegd door conventionele vaste optica te overwinnen (zie "Holografische plasmalenzen voor ultrahoge -Power Lasers").

Edwards merkte op dat optica gemaakt van plasma, een mengsel van ionen en vrije elektronen, "goed geschikt is voor een laser met een relatief hoge herhalingssnelheid en een hoog gemiddeld vermogen". Het nieuwe ontwerp zou het bijvoorbeeld mogelijk kunnen maken om een ​​lasersysteem op te zetten dat qua grootte vergelijkbaar is met het L3 HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) bij ELI Beamlines in Tsjechië, maar met 100 keer het piekvermogen.

HAPLS, ontworpen en gebouwd door LLNL en geleverd aan ELI Beamlines in 2017, was ontworpen om 30 joule energie te produceren in een pulsduur van 30 femtoseconden (quadrillionste van een seconde), wat gelijk is aan een petawatt, en dit te doen bij 10 Hertz ( 10 pulsen per seconde).

"If you imagine trying to build HAPLS with 100 times the peak power at the same repetition rate, that is the sort of system where this would be most suitable," said Edwards, now an assistant professor of mechanical engineering at Stanford University.

"The grating can be remade at a very high repetition rate, so we think that 10 Hertz operation is possible with this type of design. However, it would not be suitable for a high-average-power continuous-wave laser."

While plasma optics have been used successfully in plasma mirrors, the researchers said, their use for pulse compression at high power has been limited by the difficulty of creating a sufficiently uniform large plasma and the complexity of nonlinear plasma wave dynamics.

"It has proven difficult to get plasmas to do what you want them to do," Edwards said. "It's difficult to make them sufficiently homogenous, to get the temperature and density variations to be small enough, and so on."

"We're aiming for a design where that kind of inhomogeneity is as small a problem as possible for the overall system—the design should be very tolerant to imperfections in the plasma that you use."

Based on simulations using the particle-in-cell (PIC) code EPOCH, the researchers said, "we expect that this approach is capable of providing a degree of stability not accessible with other plasma-based compression mechanisms, and may prove more feasible to build in practice." The new design "needs only gas as the initial medium, is robust to variations in plasma conditions, and minimizes the plasma volume to make sufficient uniformity practical."

"By using achievable plasma parameters and avoiding solid-density plasma and solid-state optics, this approach offers a feasible path toward the next generation of high-power laser." + Verder verkennen

Researchers design holographic lenses based on plasma