A szuperlézerek egyedülálló energiaforrásként kulcsfontosságú szerepet játszanak számos területen, például a tudományos kutatásban, az iparban és az orvostudományban. A nagy intenzitású lézerimpulzusok elérése érdekében a sugarak általában nagyon kis méretűre konvergálnak a térben, és a konvergálás után gyorsan eltérnek a diffrakciós hatások miatt. Azonban olyan területeken, mint a lézeres ébresztőmező -gyorsítás, lézerekre van szükség ahhoz, hogy jelentős távolságon keresztül magas fényintenzitást tartsanak fenn. Marlene Turner, a Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) tudósa által vezetett tanulmány kiterjed erre a területre.
A lézeres wakefield gyorsításban a szupererős lézert a plazma elektrosztatikus hullámainak gerjesztésére használják, a töltött részecskéket pedig fel lehet gyorsítani az elektrosztatikus hullámokban, hasonlóan a tengeri szörfözéshez. Az ilyen típusú gyorsítók legkülönlegesebb tulajdonsága, hogy a töltött részecskék bizonyos energiamennyiség eléréséhez szükséges gyorsulási távolság ezerszer rövidebb, mint a hagyományos gyorsítási módszereké. Ha azonban a lézersugarat nem vezetik, akkor a fókusz után hamarosan szétoszlik, nagymértékben csökkentve a lézerimpulzus intenzitását és a gyorsítási távolságot, amely a nagy intenzitású ébresztési mezőt hajthatja. Ezért a gyorsulási távolság lerövidülése miatt a részecskék nem kapják meg a legjobb gyorsulási energiát.
Az alacsony intenzitású impulzusok esetében a diffrakció megoldása az optikai üvegszál, amely több ezer kilométerre vezetheti a lézersugarat, de a nagy intenzitású lézerek károsíthatják az optikai szálat. A High Power Laser Science and Engineering 2021 második számában megjelent cikkében Marlene Turner professzor és mások tanulmányozták a szupererős lézerekhez használt plazmaszálat. A plazma csökkentheti a diffrakciós hatást, és irányíthatja a lézersugarat a nagy intenzitású átviteli távolság meghosszabbítására. . A kutatócsoport az eddigi leghosszabb, 40 cm-es, kiváló minőségű kisülési kapillárisokat mutatta be.
Hogyan vezeti a plazma hullámvezető a lézert? A lencse vagy az optikai szál a középen levő legerősebb törésmutató -eloszlás révén elterelheti a lézerfényt. A plazma esetében ez a legalacsonyabb elektronsűrűség -eloszlással érhető el a központban. Az elektronsűrűség sugárirányban történő eloszlásának fokozatos növelése a sugárirányú törésmutató fokozatos növekedéséhez vezet, amely olyan, mint egy szuper-meghajtású lencse vagy lézercső a nagy teljesítményű lézerekhez.
Hogyan lehet ilyen plazmát előállítani? Számos technológiát alkalmaztak eddig. Ebben a tanulmányban a kutatók gázzal töltött zafír kapilláris csövet használtak, mindkét végén elektródákkal. A plazma nagyfeszültségű kisüléssel keletkezik. A kisülési áram felmelegíti a plazmát és lehűti a csőfal közelében, így a hőmérséklet a csőfalhoz közelebb csökken. Mivel a légnyomás kiegyensúlyozott, az elektronok sűrűsége a központtól a végéig fokozatosan növekszik, ami szuper erős hullámvezetőt eredményez a lézersugár irányításához.
A statikus üveglencsével vagy az optikai szállal ellentétben a plazmonikus hullámvezető minden impulzus után újra létrejön. Ezért a kutatók részletesen tanulmányozták az egyes kisülések paraméterváltozásait, és kiváló stabilitást és megismételhetőséget mutattak. Ez nagyon fontos a gyorsuló sugár esetében, ha a lézeres ébresztési mező gyorsulása több paramétert tartalmaz. A kutatók azt találták, hogy a hullámvezető paraméterek változása a különböző kisülési folyamatokban kevesebb, mint 1%, és az egyes csatornák sűrűség -eloszlása nagyon közel van. Ez azt jelenti, hogy minden lézerimpulzus ugyanúgy halad a hullámvezető ugyanazon útján.
& "Ez a munka azt mutatja, hogy a kapilláris cső nagyon stabil plazmát képes előállítani, ami azt jelzi, hogy a gyorsító teljesítményében megfigyelt ingadozások elsősorban a lézerhajtás ingadozásaiból származnak, és nagyon azonnali lézeres visszacsatolásos vezérlésre van szükség annak biztosításához, stabilitás." Kaliforniai LBNL gyorsító technológia Dr. Cameron Geddes, az Alkalmazott Fizikai Osztály igazgatója elmondta a fenti megjegyzéseket erről a munkáról.
Az üveglencse alakjának pontos szabályozása meghatározza az optikai teljesítményt, de kihívást jelent a plazma azonos szintű szabályozása. Ideális esetben az elektronsűrűség -eloszlás parabolikus, de valójában már nem egy parabola, amely messze van a csatorna tengelyétől. A kutatók azt találták, hogy ez nagyon fontos a plazmában, mint teleszkóprendszerben, hogy növelje a sugár fókuszpontját. Nagyon pontos vezérléssel a tanulmányban szereplő kutatók a lézer fókuszpontja közelében elosztott parabolikus plazmát használják a lézer vezetésére, így a sugár minősége nem csökken a sugár terjedése során. A kisülési kapilláris hullámvezető nagy energiájú elektronokat kapott a lézeres wakefield gyorsítóban. A kutatócsoport által kifejlesztett 40 cm hosszú hullámvezető várhatóan magasabb szintre emeli a levágási energiát.
