Bella High Power Lasers 777x444 1 2
Thông tin công nghệ

Chìa khóa cải tiến quang học mang lại độ chính xác chưa từng có trong kiểm soát tia của laser công suất cao

Nghiên cứu sinh tiến sĩ của Berkeley Lab Fumika Isono (giữa), Phó Giám đốc Trung tâm BELLA Jeroen van Tilborg (phải), và nhà khoa học nghiên cứu Sam Barber đã thiết lập một thí nghiệm ổn định laser mới tại một trong những laser 100 TW của Trung tâm BELLA. Tín dụng: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

Phòng thí nghiệm Berkeley Cải tiến quang học có thể làm dịu sự rung lắc của tia laser công suất cao

Trung tâm Máy gia tốc Laser Berkeley Lab (BELLA) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng (Phòng thí nghiệm Berkeley) đã phát triển và thử nghiệm một hệ thống quang học cải tiến để đo và kiểm soát chính xác vị trí và góc trỏ của chùm tia laser công suất cao với độ chính xác chưa từng có – mà không làm gián đoạn hoặc xáo trộn các chùm tia. Hệ thống mới sẽ giúp người dùng trong các ngành khoa học tận dụng tối đa tia laser công suất cao.

Nỗ lực xác nhận thử nghiệm được dẫn đầu bởi ứng viên tiến sĩ Fumika Isono của Phòng thí nghiệm Berkeley và Đại học UC Berkeley. Phát hiện của cô được mô tả trong một bài báo được xuất bản gần đây bởi tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Laser Công suất cao của Đại học Cambridge.

Cameron Geddes, Giám đốc Công nghệ Máy gia tốc và Vật lý Ứng dụng (ATAP) của Phòng thí nghiệm Berkeley (ATAP), trong đó có Trung tâm BELLA, cho biết.

Đo lường mà không bị xáo trộn

Mọi người nghĩ về một tia laser chính xác đến mức nó chuyển sang ngôn ngữ như một phép ẩn dụ, nhưng người dùng với các ứng dụng đòi hỏi kỹ thuật cao biết rằng các chùm tia laser di chuyển xung quanh ở một quy mô nhỏ để đáp ứng với các rung động và sự biến đổi của ngay cả môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ nhất.

Isono cho biết: “Việc bỏ lỡ mục tiêu chỉ một vài micrômet có thể tạo ra sự khác biệt giữa khoa học tuyệt vời và một bổ sung không mong muốn đối với tiếng ồn xung quanh.

Chênh lệch góc trỏ nhỏ hơn một phần nghìn độ cũng có thể gây ra những phức tạp không mong muốn. Đó là nơi các cảm biến chẩn đoán và hệ thống phản hồi phát huy tác dụng.

Đo các thông số này vừa chính xác vừa không bị nhiễu tia là một mẹo nhỏ. Các phương pháp truyền thống hoặc làm suy giảm đáng kể sức mạnh của chùm tia bằng cách chặn các xung của nó (điều này rất khó đối với chùm tia cường độ cao, công suất lớn) hoặc bị thiếu chính xác vì chúng không đo chùm chính xác như đã phân phối. Cách tiếp cận sáng tạo của Trung tâm BELLA bao gồm việc tách ra và giám sát một bản sao chính xác công suất thấp của chùm tia chính, được phản chiếu từ bề mặt phía sau của một sợi quang cuối cùng được thiết kế đặc biệt trong dòng chùm tia.

Trung tâm của cách tiếp cận mới này là một kiến trúc laser với ba thuộc tính chính. Đầu tiên, nó đồng thời cung cấp năm xung công suất cao và một nghìn xung công suất thấp mỗi giây, tất cả đều đi theo cùng một đường dẫn. Thứ hai, thiết kế đường chùm được tối ưu hóa để giữ cho các xung công suất cao và công suất thấp phù hợp với kích thước và sự phân kỳ. Cuối cùng, nó thay thế một trong những gương phản xạ tia phản xạ bằng một gương phản xạ hình nêm cải tiến có lớp phủ đặc biệt trên cả bề mặt phía trước và phía sau.

Hầu như tất cả chùm tia chính bị phản xạ ra khỏi bề mặt trước của quang học mà không bị ảnh hưởng đáng kể. Một phần nhỏ của chùm tia, chiếm khoảng 1% công suất đầu vào, truyền qua bề mặt phía trước và bị phản xạ ra bề mặt phía sau. “Chùm nhân chứng” này đi qua bất kỳ quang học nào tiếp theo gần như song song với chùm tia chính, với sự chuyển hướng vừa đủ để dễ dàng bố trí các dụng cụ đo lường. Kết quả cuối cùng là một chùm nhân chứng có góc trỏ và vị trí ngang tương quan cao với những điểm của chùm chính.

Isono cho biết, kết quả là “một phép đo không gây nhiễu tia laze chính, nhưng cho chúng ta biết rất chính xác về nó.”

Lợi ích cho Trung tâm BELLA và hơn thế nữa

Một mục tiêu trong tương lai gần là sử dụng chẩn đoán này như một phần của hệ thống phản hồi để ổn định tích cực vị trí ngang và góc trỏ của tia laser. Các nghiên cứu sơ bộ với laser 100 terawatt tại Trung tâm BELLA đã rất hứa hẹn. Bản thảo đưa ra triển vọng loại bỏ các chập chờn trên tia laser 5 Hz công suất cao bằng cách tích cực ổn định tàu xung laser 1 kHz công suất thấp. Sự rung động và chuyển động của chùm tia laze đã được quan sát để xảy ra trên một quy mô vài chục hertz, nằm trong phạm vi của một hệ thống phản hồi thực tế. Dự kiến sẽ cải thiện gấp năm lần về vị trí và góc phân phối xung laser công suất cao.

Trọng tâm của sự đổi mới Berkeley Lab là một thấu kính hình nêm với bề mặt phía trước phản xạ 99% cho chùm tia chính và bề mặt phía sau hình nêm để phản chiếu chùm tia nhân chứng công suất thấp. Cả hai chùm phản xạ được đưa đến một tiêu điểm ở khoảng cách gần như nhau dọc theo các đường gần giống hệt nhau, do đó chùm chứng kiến trải qua các chuyển động giống như chùm chính. Tín dụng: Berkeley Lab

Việc phát triển máy gia tốc hạt plasma laser (LPA), là sứ mệnh chính của Trung tâm BELLA, minh chứng cho lợi ích tiềm năng của sự đổi mới này. LPA tạo ra điện trường siêu cao làm tăng tốc các hạt mang điện rất nhanh, do đó hứa hẹn về một thế hệ tiếp theo của các máy gia tốc nhỏ gọn hơn, giá cả phải chăng hơn cho nhiều ứng dụng khác nhau. Vì LPA thực hiện gia tốc của chúng trong một ống rỗng mỏng, hay còn gọi là “ống mao dẫn”, chúng sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ việc cải thiện việc kiểm soát vị trí chùm tia laser truyền động và góc trỏ.

Một ứng dụng ngay lập tức tại Trung tâm BELLA là sử dụng máy gia tốc plasma điều khiển bằng laser (LPA) để cung cấp chùm điện tử cho laser điện tử tự do (FEL) – một thiết bị tạo ra xung photon sáng ở năng lượng cao hơn nhiều và bước sóng ngắn hơn ánh sáng thấy được.

Isono cho biết: “Bộ phận giả lập, mảng từ tính ở trung tâm của FEL, có các yêu cầu rất nghiêm ngặt về việc chấp nhận chùm tia điện tử, liên quan trực tiếp đến góc trỏ của tia laser dẫn động LPA và các dao động ngang,” Isono nói.

Đề xuất kBELLA, một hệ thống laser thế hệ tiếp theo sẽ kết hợp công suất cao với tốc độ lặp lại kilohertz, sẽ là một ứng dụng có khả năng khác.

Sự quan tâm từ các phòng thí nghiệm laser trên toàn thế giới đã được dự đoán trước. Giám đốc Trung tâm BELLA Eric Esarey cho biết: “Công việc này không chỉ giới hạn ở gia tốc laser-plasma. “Nó giải quyết một nhu cầu cụ thể trong cộng đồng laser công suất cao, cụ thể là, chứng minh một bản sao công suất thấp tương quan của xung công suất cao mà không có sự can thiệp đáng kể. Bất kỳ nơi nào cần phân phối chùm tia laser công suất cao với độ chính xác nhất định cho bất kỳ ứng dụng nào, chẩn đoán này sẽ tạo ra sự khác biệt lớn. Hãy nghĩ đến các thí nghiệm va chạm giữa tia laser hoặc hạt tương tác giữa tia laser với các mục tiêu chính xác đến micromet như mao quản hoặc giọt nước. “

Tham khảo: “Chẩn đoán phân phối laser không nhiễu động công suất cao ở tiêu điểm cuối cùng của xung laser 100-TW” của Fumika Isono, Jeroen van Tilborg, Samuel K. Barber, Joseph Natal, Curtis Berger, Hai-En Tsai, Tobias Ostermayr, Anthony Gonsalves, Cameron Geddes và Eric Esarey, ngày 26 tháng 5 năm 2021, Khoa học và Kỹ thuật Laser công suất cao .
DOI: 10.1017 / hpl.2021.12

Công trình được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE, Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản, thông qua khoản tài trợ Chương trình Nghiên cứu Sự nghiệp Ban đầu cho Jeroen van Tilborg, cùng với Văn phòng Vật lý Năng lượng Cao và Quỹ Gordon and Betty Moore.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.