Yüksek Güçlü Lazerlerin Işın Kontrolünde Emsalsiz Doğruluk için Optik Yenilik Anahtarı
Berkeley Lab Optik Yeniliği, Yüksek Güçlü Lazerlerin Titreşimlerini Sakinleştirebilir
Energy’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki (Berkeley Lab) Berkeley Lab Lazer Hızlandırıcı (BELLA) Merkezi, yüksek güçlü lazer ışınlarının konumunu ve işaret açısını benzeri görülmemiş bir doğrulukla hassas bir şekilde ölçmek ve kontrol etmek için yenilikçi bir optik sistem geliştirdi ve test etti – kirişleri kesmeden veya bozmadan. Yeni sistem, bilimlerdeki kullanıcıların yüksek güçlü lazerlerden en iyi şekilde yararlanmalarına yardımcı olacak.
Deneysel doğrulama çabası, Berkeley Lab ve UC Berkeley’den doktora adayı Fumika Isono tarafından yönetildi. Bulguları, Cambridge University Press dergisi, High Power Laser Science and Engineering tarafından yakın zamanda yayınlanan bir makalede anlatılıyor .
BELLA Center’ın da bir parçası olduğu Berkeley Lab’ın Hızlandırıcı Teknolojisi ve Uygulamalı Fizik (ATAP) Bölümü Direktörü Cameron Geddes, “Bu, dünya çapındaki yüksek güçlü lazer tesislerine fayda sağlayacak olan ölçüm ve kontrolde muazzam bir gelişmedir” dedi.
Rahatsızlık olmadan ölçüm
İnsanlar bir lazeri o kadar kesin olarak düşünürler ki, dile metafor olarak geçerler, ancak zorlu uygulamalara sahip kullanıcılar, lazer ışınlarının en kontrollü laboratuvar ortamının bile titreşimlerine ve değişkenliğine yanıt olarak küçük bir ölçekte hareket ettiğini bilirler.
Isono, “Hedefi birkaç mikron kadar kaçırmak, şaşırtıcı bilim ile arka plan gürültüsüne istenmeyen bir ekleme arasındaki farkı yaratabilir” dedi.
Derecenin binde birinden daha az olan işaret açısı ofsetleri de istenmeyen karmaşıklıklara neden olabilir. İşte burada teşhis sensörleri ve geri bildirim sistemleri devreye giriyor.
İşin püf noktası, bu parametreleri hem doğru hem de ışını kesmeden ölçmektir. Geleneksel yöntemler ya ışının darbelerini keserek (her halükarda yoğun, yüksek güçlü ışınlar için zor olan) ışının gücünü büyük ölçüde azaltır ya da ışını tam olarak iletildiği gibi ölçmedikleri için yanlışlıklara maruz kalırlar. BELLA Center’ın yenilikçi yaklaşımı, huzme hattında özel olarak tasarlanmış bir son optiğin arka yüzeyinden yansıyan ana huzmenin düşük güçlü tam bir kopyasını ayırmayı ve izlemeyi içerir.
Bu yeni yaklaşımın kalbi, üç temel özelliğe sahip bir lazer mimarisidir. İlk olarak, hepsi aynı yolu izleyerek aynı anda saniyede beş yüksek güçlü darbe ve bin düşük güçlü darbe sağlar. İkinci olarak, ışın hattı tasarımı, boyut ve sapma açısından yüksek güçlü ve düşük güçlü darbeleri tutmak için optimize edilmiştir. Son olarak, yansıtıcı ışın çizgili aynalardan birini hem ön hem de arka yüzeylerde özel kaplamalara sahip yenilikçi kama biçimli bir reflektörle değiştirir.
Uzun huzmenin neredeyse tamamı, aksi takdirde gözle görülür şekilde etkilenmeden optiğin ön yüzeyinden yansır. Giriş gücünün belki de %1’ini temsil eden küçük bir ışın demeti, ön yüzey boyunca yayılır ve arka yüzeyden yansır. Bu “tanık ışını”, ölçüm cihazlarının kolayca yerleştirilmesi için yeterli sapma ile neredeyse ana ışına paralel olarak sonraki optiklerden geçer. Nihai sonuç, ana ışınınkilerle yüksek oranda ilişkili olan işaretleme açısına ve enine konuma sahip bir tanık ışındır.
Isono, sonucun “ana lazer ışınına müdahale etmeyecek, ancak bize bunu çok doğru bir şekilde anlatan bir ölçüm” olduğunu söyledi.
BELLA Center ve ötesi için faydaları
Yakın gelecekteki bir hedef, bu teşhisi, lazerin enine konumunun ve işaretleme açısının aktif stabilizasyonu için bir geri bildirim sisteminin parçası olarak kullanmaktır. BELLA Center’da 100 terawatt lazer ile yapılan ön çalışmalar umut verici olmuştur. El yazması, düşük güçlü 1 kHz lazer darbe dizisini aktif olarak stabilize ederek yüksek güçlü 5 Hz lazer üzerindeki titreşimleri ortadan kaldırma olasılığını ortaya koymaktadır. Lazer ışını titreşimi ve hareketinin, pratik bir geri besleme sisteminin menzili içinde olan, birkaç on hertzlik bir ölçekte meydana geldiği gözlemlendi. Yüksek güçlü lazer darbe iletiminin pozisyonunda ve açısında beş kat iyileştirme bekleniyor.
BELLA Center’ın birincil görevi olan lazer- plazma parçacık hızlandırıcılarının (LPA) geliştirilmesi, bu yeniliğin potansiyel faydasını örneklemektedir. LPA’lar, yüklü parçacıkları çok hızlı bir şekilde hızlandıran ultra yüksek elektrik alanları üretir ve böylece çok çeşitli uygulamalar için yeni nesil daha kompakt, daha uygun fiyatlı hızlandırıcılar vaadini sunar. LPA’lar hızlanmalarını ince bir oyuk tüp veya “kılcal boru” içinde gerçekleştirdikleri için, sürücü lazer ışını konumu ve işaretleme açısının geliştirilmiş kontrolünden büyük ölçüde faydalanacaklardır.
BELLA Center’daki acil uygulamalardan biri, serbest elektron lazeri (FEL) için elektron ışınları sağlamak üzere lazerle çalışan bir plazma hızlandırıcının (LPA) kullanılmasıdır – bu, lazerden çok daha yüksek enerjide ve daha kısa dalga boyunda parlak foton darbeleri üreten bir cihazdır. görülebilir ışık.
Isono, “FEL’in kalbindeki manyetik dizilim olan ondüleç, doğrudan LPA sürücü lazer işaretleme açısı ve enine dalgalanmalarla ilgili olan elektron ışını kabulü konusunda çok katı gereksinimlere sahiptir” dedi.
Yüksek gücü bir kilohertz tekrarlama oranıyla birleştirecek yeni nesil bir lazer sistemi olan önerilen kBELLA, başka bir olası uygulama olacaktır.
Dünya çapındaki lazer laboratuvarlarından ilgi bekleniyor. BELLA Merkezi Direktörü Eric Esarey, “Bu çalışma lazer-plazma hızlandırma ile sınırlı değil” dedi. “Yüksek güçlü lazer topluluğu genelinde belirli bir ihtiyaca hitap ediyor, yani önemli bir müdahale olmaksızın yüksek güçlü darbenin ilişkili düşük güçlü bir kopyasını kanıtlıyor. Herhangi bir uygulamaya yüksek güçlü bir lazer ışınının belirli bir hassasiyetle iletilmesi gereken her yerde, bu tanılama büyük bir fark yaratacaktır. Lazer-parçacık çarpışma deneylerini veya kılcal damarlar veya damlacıklar gibi mikron hassasiyetli hedeflerle lazer etkileşimlerini düşünün.
