Ainutlaatuisena energialähteenä superlaserit ovat avainasemassa monilla aloilla, kuten tieteellisessä tutkimuksessa, teollisuudessa ja lääketieteessä. Korkean intensiteetin laserpulssien saamiseksi säteet lähentyvät yleensä hyvin pieneen tilaan, ja lähentymisen jälkeen ne eroavat nopeasti diffraktiovaikutusten vuoksi. Kuitenkin alueilla, kuten laser -wakefield -kiihtyvyys, laserit edellyttävät korkean valovoiman ylläpitämistä huomattavan matkan päässä. Lawrence Berkeley National Laboratoryn (LBNL) tutkijan Marlene Turnerin johtama tutkimus ulottuu tähän alaan.
Laser-wakefield-kiihdytyksessä supervoimakasta laseria käytetään virittämään plasman sähköstaattisia aaltoja ja varautuneita hiukkasia voidaan kiihdyttää sähköstaattisissa aalloissa, samalla tavalla kuin surffausta merellä. Tämän tyyppisen kiihdyttimen erityispiirre on se, että kiihdytysmatka, joka vaaditaan varautuneille hiukkasille tietyn energian saamiseksi, on tuhansia kertoja lyhyempi kuin perinteiset kiihdytysmenetelmät. Jos lasersädettä ei kuitenkaan ohjata, se hajoaa pian tarkennuksen jälkeen, mikä vähentää suuresti laserpulssin voimakkuutta ja kiihtymismatkaa, joka voi ohjata korkean intensiteetin herätyskenttää. Siksi kiihtymismatkan lyhentäminen saa hiukkaset saamaan parhaan kiihtyvyysenergian.
Pienitehoisille pulsseille ratkaisu diffraktioon on optinen kuitulasi, joka voi ohjata lasersäteen tuhansia kilometrejä, mutta suuritehoiset laserit voivat vahingoittaa optista kuitua. High Power Laser Science and Engineering 2021 -lehden toisessa numerossa julkaistussa artikkelissa professori Marlene Turner ja muut tutkivat huipputehoisten lasereiden plasmakuituja. Plasma voi vähentää diffraktion vaikutusta ja ohjata lasersädettä pidentämään sen korkean intensiteetin siirtoetäisyyttä. . Tutkimusryhmä osoitti pisin 40 cm: n korkealaatuinen purkauskapillaari tähän mennessä.
Miten plasma -aaltoputki ohjaa laseria? Linssi tai optinen kuitu voi ohjata laservalon keskellä olevan vahvimman taitekerroinjakauman kautta. Plasmassa se saavutetaan pienimmällä elektronitiheysjakaumalla keskellä. Elektronitiheyden jakauman asteittainen lisääminen säteittäiseen suuntaan johtaa taitekerroimen asteittaiseen nousuun säteen suunnassa, joka on kuin suuritehoinen linssi tai laserputki suuritehoisille lasereille.
Kuinka tällainen plasma voidaan tuottaa? Tähän mennessä on otettu käyttöön useita tekniikoita. Tässä artikkelissa tutkijat käyttivät kaasulla täytettyä safiirikapillaariputkea, jonka elektrodit oli liitetty molempiin päihin. Plasma syntyy suurjännitepurkauksella. Poistovirta lämmittää plasman ja jäähdyttää sen lähellä putken seinämää, jolloin lämpötila lähempänä putken seinämää laskee. Koska ilmanpaine on tasapainossa, elektronin tiheys keskeltä päihin kasvaa vähitellen, mikä johtaa erittäin vahvaan aaltojohtoon lasersäteen ohjaamiseksi.
Toisin kuin staattinen lasilinssi tai optinen kuitu, plasmoninen aaltoputki vahvistetaan uudelleen joka pulssi. Siksi tutkijat tutkivat yksityiskohtaisesti kunkin purkauksen parametrimuutoksia ja osoittivat erinomaisen vakauden ja toistettavuuden. Tämä on erittäin tärkeää kiihtyvälle säteelle, jossa muuttuu useita parametreja laser-herätyskentän kiihtyvyydessä. Tutkijat havaitsivat, että aaltoputkiparametrien muutos eri purkausprosesseissa on alle 1%ja tiheysjakauma kussakin kanavassa on hyvin lähellä. Tämä tarkoittaa, että jokainen laserpulssi kulkee samalla tavalla aaltojohdon samaa polkua pitkin.
& "Tämä työ osoittaa, että kapillaariputki voi tuottaa erittäin vakaan plasman, mikä osoittaa, että kiihdyttimen suorituskyvyssä havaitut vaihtelut johtuvat pääasiassa laserkäytön heilahteluista, ja erittäin välitöntä laserpalautteen ohjausta tarvitaan varmistamaan vakautta.&"; Kalifornian LBNL -kiihdytintekniikka Tohtori Cameron Geddes, soveltavan fysiikan osaston johtaja, kommentoi edellä mainittua työtä.
Lasilinssin muodon tarkka ohjaus määrittää optisen suorituskyvyn, mutta plasman säätäminen samaan tasoon on haaste. Ihannetapauksessa elektronitiheysjakauma on parabolinen, mutta itse asiassa se ei ole enää parabola kaukana kanavan akselista. Tutkijat havaitsivat, että tämä on erittäin tärkeää plasmassa teleskooppijärjestelmänä säteen polttopisteen lisäämiseksi. Tämän paperin tutkijat käyttävät erittäin tarkan ohjauksen avulla parabolista plasmaa, joka on jaettu laserin polttopisteen lähelle ohjaamaan laseria, jotta säteen laatu ei heikkene säteen etenemisen aikana. Purkauskapillaari-aaltoputki on saanut suuren energian elektroneja laser-wakefield-kiihdyttimessä. Tutkimusryhmän kehittämän 40 cm pitkän aaltoputken odotetaan nostavan katkaisuenergian korkeammalle tasolle.
