Som en unik energikilde spiller superlasere en central rolle i mange aspekter som videnskabelig forskning, industri og medicin. For at opnå højintensive laserimpulser konvergerer bjælkerne generelt til en meget lille størrelse i rummet, og efter konvergerende vil de hurtigt afvige på grund af diffraktionseffekter. Men i områder som laser wakefield acceleration, lasere er forpligtet til at opretholde høj lysintensitet over en betydelig afstand. En undersøgelse ledet af Marlene Turner, en videnskabsmand ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), strækker sig til dette område.
I laser wakefield acceleration, super-drevne laser bruges til at begejstre de elektrostatiske bølger i plasma, og de ladede partikler kan fremskyndes i elektrostatiske bølger, svarende til surfing på havet. Det mest specielle træk ved denne type accelerator er, at den accelerationsafstand, der kræves for ladede partikler for at opnå en vis mængde energi, er tusinder af gange kortere end traditionelle accelerationsmetoder. Men hvis laserstrålen ikke styres, vil den spredes kort efter fokus, hvilket i høj grad reducerer intensiteten af laserpulsen og accelerationsafstanden, der kan drive højintensitets wake-feltet. Derfor vil afkortningen af accelerationsafstanden få partiklerne til ikke at opnå den bedste accelerationsenergi.
For lavintensive impulser er løsningen på diffraktion optisk fiberglas, som kan guide laserstrålen i tusinder af kilometer, men højintensive lasere kan beskadige den optiske fiber. I en artikel i andet nummer af High Power Laser Science and Engineering 2021 studerede professor Marlene Turner og andre plasmafiberen, der bruges til superdrevne lasere. Plasma kan reducere diffraktionseffekten og guide laserstrålen til at forlænge dens højintensive transmissionsafstand. . Forskerholdet viste den længste udledningskapillær af høj kvalitet til dato.
Hvordan styrer plasmabølgeguiden laseren? Linsen eller optisk fiber kan aflede laserlyset gennem den stærkeste brydningsindeksfordeling i midten. For plasma opnås det ved den laveste elektrontæthedsfordeling i midten. Gradvist at øge fordelingen af elektrontætheden i radial retning fører til en gradvis stigning i brydningsindekset i radial retning, hvilket er som en superdrevet linse eller laserrør til højeffektlasere.
Hvordan kan et sådant plasma genereres? Der er indtil videre blevet anvendt en række teknologier. I dette papir brugte forskerne et gasfyldt safirkapillærrør med elektroder forbundet til begge ender. Plasmaet genereres ved højspændingsudladning. Udladningsstrømmen opvarmer plasmaet og køler det nær rørvæggen, hvilket gør temperaturen tættere på rørvæggen lavere. Fordi lufttrykket er afbalanceret, øges elektrontætheden fra midten til enderne gradvist, hvilket resulterer i en super stærk waveguide til styring af laserstrålen.
I modsætning til en statisk glaslinse eller optisk fiber genetableres den plasmoniske waveguide hver puls. Derfor studerede forskerne i detaljer parameterændringerne i hver udledning og demonstrerede fremragende stabilitet og repeterbarhed. Dette er meget vigtigt for den accelererende stråle med multiparameterændringer i accelerationen af laserhævningsfeltet. Forskerne fandt, at ændringen af waveguide parametre i forskellige udledningsprocesser er mindre end 1%, og tætheden fordeling i hver kanal er meget tæt på. Det betyder, at hver laserpuls vil bevæge sig på samme måde langs den samme vej i waveguiden.
"Dette arbejde viser, at kapillærrøret kan generere et meget stabilt plasma, hvilket indikerer, at de observerede udsving i acceleratorydelsen hovedsagelig skyldes udsvingene i laserdrevet, og at der kræves meget øjeblikkelig laserfeedbackkontrol for at sikre stabilitet." Californien LBNL accelerator teknologi Dr. Cameron Geddes, direktør for Applied Physics Department, gav ovenstående bemærkninger til dette arbejde.
Den præcise kontrol af glaslinsens form bestemmer den optiske ydeevne, men det er en udfordring at styre plasmaet til samme niveau. Ideelt set er elektrontæthedsfordelingen parabolsk, men det er faktisk ikke længere en parabel langt væk fra kanalens akse. Forskerne fandt, at dette er meget vigtigt i plasmaet som et teleskopsystem for at øge bjælkens brændpunkt. Gennem meget præcis kontrol bruger forskerne i dette papir parabolsk plasma fordelt nær laserens brændpunkt for at guide laseren, så strålens kvalitet ikke falder under stråleudbreddelsen. Udledning kapillær waveguide har opnået højenergi-elektroner i laser wakefield accelerator. Den 40 cm lange waveguide udviklet af forskerholdet forventes at skubbe cut-off energi til et højere niveau.
