Как уникальный источник энергии суперлазеры играют ключевую роль во многих аспектах, таких как научные исследования, промышленность и медицина. Чтобы получить высокоинтенсивные лазерные импульсы, лучи обычно сходятся в пространстве до очень малых размеров, а после схождения они быстро расходятся из-за дифракционных эффектов. Однако в таких областях, как ускорение лазерного кильватерного поля, лазеры необходимы для поддержания высокой интенсивности света на значительном расстоянии. Исследование, проведенное Марлен Тернер, ученым из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL), распространяется на эту область.
При ускорении лазерного кильватерного поля сверхмощный лазер используется для возбуждения электростатических волн в плазме, и заряженные частицы могут ускоряться в электростатических волнах, подобно серфингу в море. Наиболее характерной особенностью этого типа ускорителей является то, что расстояние ускорения, необходимое заряженным частицам для получения определенного количества энергии, в тысячи раз короче, чем у традиционных методов ускорения. Однако, если лазерный луч не направляется, он рассеивается вскоре после фокусировки, что значительно снижает интенсивность лазерного импульса и расстояние ускорения, которое может управлять следом высокой интенсивности. Следовательно, сокращение расстояния ускорения приведет к тому, что частицы не получат наилучшую энергию ускорения.
Для импульсов низкой интенсивности решением дифракции является оптическое волокно, которое может направлять лазерный луч на тысячи километров, но лазеры высокой интенсивности могут повредить оптическое волокно. В статье во втором выпуске журнала High Power Laser Science and Engineering 2021 профессор Марлен Тернер и другие исследовали плазменное волокно, используемое для сверхмощных лазеров. Плазма может уменьшить эффект дифракции и направить лазерный луч, чтобы увеличить дальность передачи высокой интенсивности. . Исследовательская группа показала самый длинный на сегодняшний день высококачественный капилляр для разряда 40 см.
Как плазменный волновод направляет лазер? Линза или оптическое волокно могут отклонять лазерный свет за счет самого сильного распределения показателя преломления в центре. Для плазмы это достигается наименьшим распределением электронной плотности в центре. Постепенное увеличение распределения электронной плотности в радиальном направлении приводит к постепенному увеличению показателя преломления в радиальном направлении, что похоже на сверхмощную линзу или лазерную трубку для мощных лазеров.
Как можно создать такую плазму? К настоящему времени реализован ряд технологий. В этой статье исследователи использовали заполненную газом сапфировую капиллярную трубку с электродами, подключенными к обоим концам. Плазма создается высоковольтным разрядом. Ток разряда нагревает плазму и охлаждает ее у стенки трубки, делая температуру ближе к стенке трубки ниже. Поскольку давление воздуха уравновешено, концентрация электронов от центра к концам постепенно увеличивается, что приводит к сверхпрочному волноводу для направления лазерного луча.
В отличие от статической стеклянной линзы или оптического волокна, плазмонный волновод восстанавливается при каждом импульсе. Таким образом, исследователи подробно изучили изменение параметров каждого разряда и продемонстрировали отличную стабильность и повторяемость. Это очень важно для ускоряющего пучка с многопараметрическими изменениями ускорения кильватерного поля лазера. Исследователи обнаружили, что изменение параметров волновода в различных процессах разряда составляет менее 1%, а распределение плотности в каждом канале очень близкое. Это означает, что каждый лазерный импульс будет проходить одинаково по одному и тому же пути в волноводе.
& quot; Эта работа показывает, что капиллярная трубка может генерировать очень стабильную плазму, что указывает на то, что флуктуации, наблюдаемые в работе ускорителя, в основном связаны с колебаниями привода лазера, и требуется очень мгновенное управление обратной связью лазера, чтобы гарантировать стабильность." Калифорнийская технология ускорителей LBNL Доктор Кэмерон Геддес, директор департамента прикладной физики, дал вышеупомянутые комментарии к этой работе.
Точный контроль формы стеклянной линзы определяет оптические характеристики, но сложно контролировать плазму на том же уровне. В идеале распределение электронной плотности является параболическим, но на самом деле это уже не парабола вдали от оси канала. Исследователи обнаружили, что это очень важно в плазме, как в телескопической системе, для увеличения фокусного пятна луча. Благодаря очень точному управлению, исследователи в этой статье используют параболическую плазму, распределенную около фокального пятна лазера, чтобы направлять лазер, так что качество луча не ухудшается во время распространения луча. Разрядный капиллярный волновод получил электроны высокой энергии в ускорителе лазерного кильватерного поля. Ожидается, что волновод длиной 40 см, разработанный исследовательской группой, поднимет энергию отсечки на более высокий уровень.
