Ako jedinečný zdroj energie hrajú super lasery kľúčovú úlohu v mnohých aspektoch, ako sú vedecký výskum, priemysel a medicína. Aby sa získali laserové impulzy s vysokou intenzitou, lúče sa vo vesmíre spravidla zbiehajú do veľmi malých rozmerov a po zbližovaní sa v dôsledku difrakčných účinkov rýchlo rozchádzajú. V oblastiach, ako je laserové zrýchlenie bdelosti, sú však lasery povinné udržiavať vysokú intenzitu svetla na značnú vzdialenosť. Štúdia vedená Marlene Turnerovou, vedkyňou Národného laboratória Lawrence Berkeleyho (LBNL), zasahuje do tejto oblasti.
Pri akcelerácii laserového wakefieldu sa supervýkonný laser používa na excitáciu elektrostatických vĺn v plazme a nabité častice je možné v elektrostatických vlnách urýchliť, podobne ako pri surfovaní na mori. Najšpeciálnejšou črtou tohto typu urýchľovača je to, že vzdialenosť zrýchlenia potrebná pre nabité častice na získanie určitého množstva energie je tisíckrát kratšia ako u tradičných metód zrýchľovania. Ak však laserový lúč nie je vedený, rozptýli sa čoskoro po zaostrení, čo výrazne zníži intenzitu laserového impulzu a vzdialenosť zrýchlenia, ktorá môže poháňať vysoko intenzívne budiace pole. Preto skrátenie vzdialenosti zrýchlenia spôsobí, že častice nezískajú najlepšiu energiu zrýchlenia.
V prípade impulzov s nízkou intenzitou je riešením difrakcie sklo z optických vlákien, ktoré môže viesť laserový lúč na tisíce kilometrov, ale lasery s vysokou intenzitou môžu poškodiť optické vlákno. V článku v druhom čísle High Power Laser Science and Engineering 2021 profesorka Marlene Turnerová a ďalší študovali plazmové vlákno používané v super výkonných laseroch. Plazma môže znížiť difrakčný efekt a viesť laserový lúč k predĺženiu jeho prenosovej vzdialenosti s vysokou intenzitou. . Výskumný tím ukázal doposiaľ najdlhšiu 40 cm vysokokvalitnú výtlačnú kapiláru.
Ako plazmový vlnovod vedie laser? Objektív alebo optické vlákno môže odkloniť laserové svetlo prostredníctvom najsilnejšej distribúcie indexu lomu v strede. V prípade plazmy sa dosahuje najnižšou distribúciou hustoty elektrónov v strede. Postupné zvyšovanie distribúcie hustoty elektrónov v radiálnom smere vedie k postupnému zvyšovaniu indexu lomu v radiálnom smere, čo je ako super výkonná šošovka alebo laserová trubica pre vysokovýkonné lasery.
Ako je možné vytvoriť takú plazmu? Doteraz bolo implementovaných niekoľko technológií. V tomto príspevku vedci použili zafírovú kapilárnu trubicu naplnenú plynom s elektródami spojenými s oboma koncami. Plazma je generovaná vysokonapäťovým výbojom. Výbojový prúd ohrieva plazmu a ochladzuje ju v blízkosti steny trubice, čím sa teplota približuje k stene trubice nižšie. Pretože je tlak vzduchu vyrovnaný, hustota elektrónov od stredu k koncom sa postupne zvyšuje, čo má za následok super silný vlnovod na vedenie laserového lúča.
Na rozdiel od statických sklenených šošoviek alebo optických vlákien sa plazmonický vlnovod obnoví pri každom pulze. Vedci preto podrobne študovali zmeny parametrov každého výboja a preukázali vynikajúcu stabilitu a opakovateľnosť. To je veľmi dôležité pre urýchľujúci lúč s viacparametrovými zmenami zrýchlenia poľa laserového bdenia. Vedci zistili, že zmena parametrov vlnovodu v rôznych výbojových procesoch je menšia ako 1%a distribúcia hustoty v každom kanáli je veľmi tesná. To znamená, že každý laserový impulz bude cestovať rovnakým spôsobom po tej istej dráhe vo vlnovode.
& quot; Táto práca ukazuje, že kapilárna trubica môže generovať veľmi stabilnú plazmu, čo naznačuje, že fluktuácie pozorované pri výkone urýchľovača sú predovšetkým dôsledkom fluktuácií pohonu lasera a na zaistenie veľmi okamžitej kontroly laserovej spätnej väzby je potrebná stabilita." Kalifornská technológia urýchľovača LBNL Dr. Cameron Geddes, riaditeľ odboru aplikovanej fyziky, uviedol vyššie pripomienky k tejto práci.
Presné ovládanie tvaru sklenenej šošovky určuje optický výkon, ale je ťažké ovládať plazmu na rovnakej úrovni. V ideálnom prípade je distribúcia elektrónovej hustoty parabolická, ale v skutočnosti už nie je parabolou ďaleko od osi kanála. Vedci zistili, že je to veľmi dôležité v plazme ako teleskopickom systéme na zvýšenie ohniskovej vzdialenosti lúča. Prostredníctvom veľmi presného riadenia vedci v tomto príspevku používajú na vedenie lasera parabolickú plazmu distribuovanú v blízkosti ohniskového bodu lasera, takže kvalita lúča sa počas šírenia lúča nezníži. Výbojový kapilárny vlnovod získal vysokoenergetické elektróny v laserovom akcelerátore prebudenia. Očakáva sa, že 40 cm dlhý vlnovod vyvinutý výskumným tímom posunie hraničnú energiu na vyššiu úroveň.
