Ως μοναδική πηγή ενέργειας, τα υπερ -λέιζερ παίζουν βασικό ρόλο σε πολλές πτυχές όπως η επιστημονική έρευνα, η βιομηχανία και η ιατρική. Προκειμένου να ληφθούν παλμοί λέιζερ υψηλής έντασης, οι δέσμες γενικά συγκλίνουν σε ένα πολύ μικρό μέγεθος στο διάστημα και μετά τη σύγκλιση, θα αποκλίνουν γρήγορα λόγω των φαινομένων περίθλασης. Ωστόσο, σε περιοχές όπως η επιτάχυνση του πεδίου επαφής λέιζερ, τα λέιζερ απαιτούν τη διατήρηση υψηλής έντασης φωτός σε σημαντική απόσταση. Μια μελέτη με επικεφαλής τη Marlene Turner, επιστήμονα στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (LBNL), επεκτείνεται σε αυτόν τον τομέα.
Στην επιτάχυνση του λέιζερ, το υπερ-τροφοδοτούμενο λέιζερ χρησιμοποιείται για να διεγείρει τα ηλεκτροστατικά κύματα στο πλάσμα και τα φορτισμένα σωματίδια μπορούν να επιταχυνθούν στα ηλεκτροστατικά κύματα, παρόμοια με το σερφ στη θάλασσα. Το πιο ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτού του τύπου επιταχυντή είναι ότι η απόσταση επιτάχυνσης που απαιτείται για τα φορτισμένα σωματίδια να αποκτήσουν μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας είναι χιλιάδες φορές μικρότερη από αυτή των παραδοσιακών μεθόδων επιτάχυνσης. Ωστόσο, εάν η δέσμη λέιζερ δεν καθοδηγείται, θα διασκορπιστεί αμέσως μετά την εστίαση, μειώνοντας σημαντικά την ένταση του παλμού του λέιζερ και την απόσταση επιτάχυνσης που μπορεί να οδηγήσει το πεδίο αφύπνισης υψηλής έντασης. Επομένως, η συντόμευση της απόστασης επιτάχυνσης θα προκαλέσει στα σωματίδια να μην αποκτήσουν την καλύτερη ενέργεια επιτάχυνσης.
Για παλμούς χαμηλής έντασης, η λύση στην περίθλαση είναι το γυαλί οπτικών ινών, το οποίο μπορεί να καθοδηγήσει τη δέσμη λέιζερ για χιλιάδες χιλιόμετρα, αλλά τα λέιζερ υψηλής έντασης μπορούν να βλάψουν την οπτική ίνα. Σε ένα άρθρο στο δεύτερο τεύχος του High Power Laser Science and Engineering 2021, η καθηγήτρια Marlene Turner και άλλοι μελέτησαν τις ίνες πλάσματος που χρησιμοποιούνται για υπερ-τροφοδοτούμενα λέιζερ. Το πλάσμα μπορεί να μειώσει το φαινόμενο περίθλασης και να καθοδηγήσει τη δέσμη λέιζερ να επεκτείνει την απόσταση μετάδοσης υψηλής έντασης. Ε Η ερευνητική ομάδα έδειξε το μακρύτερο τριχοειδές εκχύλισης υψηλής ποιότητας έως σήμερα 40 εκατοστών.
Πώς καθοδηγεί το λέιζερ ο κυματοδηγός πλάσματος; Ο φακός ή η οπτική ίνα μπορούν να εκτρέψουν το φως του λέιζερ μέσω της ισχυρότερης κατανομής του δείκτη διάθλασης στο κέντρο. Για το πλάσμα, επιτυγχάνεται με τη χαμηλότερη κατανομή πυκνότητας ηλεκτρονίων στο κέντρο. Η σταδιακή αύξηση της κατανομής της πυκνότητας των ηλεκτρονίων στην ακτινική κατεύθυνση οδηγεί σε μια σταδιακή αύξηση του δείκτη διάθλασης στην ακτινική κατεύθυνση, η οποία είναι σαν ένας υπερτροφοδοτούμενος φακός ή σωλήνας λέιζερ για λέιζερ υψηλής ισχύος.
Πώς μπορεί να δημιουργηθεί ένα τέτοιο πλάσμα; Μέχρι σήμερα έχουν εφαρμοστεί διάφορες τεχνολογίες. Σε αυτό το έγγραφο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν τριχοειδή σωλήνα ζαφείρι γεμάτο αέριο με ηλεκτρόδια συνδεδεμένα και στα δύο άκρα. Το πλάσμα παράγεται από εκκένωση υψηλής τάσης. Το ρεύμα εκκένωσης θερμαίνει το πλάσμα και το ψύχει κοντά στο τοίχωμα του σωλήνα, κάνοντας τη θερμοκρασία πιο κοντά στο τοίχωμα του σωλήνα χαμηλότερη. Επειδή η πίεση του αέρα είναι ισορροπημένη, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων από το κέντρο στα άκρα αυξάνεται σταδιακά, πράγμα που οδηγεί σε έναν εξαιρετικά ισχυρό κυματοδηγό για την καθοδήγηση της δέσμης λέιζερ.
Σε αντίθεση με έναν στατικό γυάλινο φακό ή μια οπτική ίνα, ο πλασμωνικός κυματοδηγός αποκαθίσταται εκ νέου σε κάθε παλμό. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές μελέτησαν λεπτομερώς τις αλλαγές παραμέτρων κάθε εκφόρτισης και απέδειξαν εξαιρετική σταθερότητα και επαναληψιμότητα. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για τη δέσμη επιτάχυνσης με αλλαγές πολλαπλών παραμέτρων στην επιτάχυνση του πεδίου αφύπνισης λέιζερ. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αλλαγή των παραμέτρων κυματοδηγού σε διαφορετικές διαδικασίες εκφόρτισης είναι μικρότερη από 1%και η κατανομή πυκνότητας σε κάθε κανάλι είναι πολύ κοντά. Αυτό σημαίνει ότι κάθε παλμός λέιζερ θα ταξιδεύει με τον ίδιο τρόπο κατά μήκος της ίδιας διαδρομής στον κυματοδηγό.
& quot; Αυτή η εργασία δείχνει ότι ο τριχοειδής σωλήνας μπορεί να παράγει ένα πολύ σταθερό πλάσμα, γεγονός που δείχνει ότι οι διακυμάνσεις που παρατηρούνται στην απόδοση του επιταχυντή οφείλονται κυρίως στις διακυμάνσεις της μονάδας λέιζερ και απαιτείται πολύ άμεσος έλεγχος ανάδρασης λέιζερ για να διασφαλιστεί σταθερότητα." Η τεχνολογία επιταχυντή LBNL της Καλιφόρνιας Δρ. Κάμερον Γκέντς, Διευθυντής του Τμήματος Εφαρμοσμένης Φυσικής, έδωσε τα παραπάνω σχόλια για αυτήν την εργασία.
Ο ακριβής έλεγχος του σχήματος του γυάλινου φακού καθορίζει την οπτική απόδοση, αλλά είναι μια πρόκληση ο έλεγχος του πλάσματος στο ίδιο επίπεδο. Ιδανικά, η κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων είναι παραβολική, αλλά στην πραγματικότητα δεν είναι πλέον παραβολή πολύ μακριά από τον άξονα του καναλιού. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό είναι πολύ σημαντικό στο πλάσμα ως σύστημα τηλεσκοπίου για την αύξηση του εστιακού σημείου της δέσμης. Μέσω πολύ ακριβούς ελέγχου, οι ερευνητές σε αυτό το έγγραφο χρησιμοποιούν παραβολικό πλάσμα κατανεμημένο κοντά στο εστιακό σημείο του λέιζερ για να καθοδηγήσουν το λέιζερ, έτσι ώστε η ποιότητα της δέσμης να μην μειωθεί κατά τη διάδοση της δέσμης. Ο τριχοειδής κυματοδηγός εκκένωσης έχει λάβει ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στον επιταχυντή λέιζερ. Ο κυματοδηγός μήκους 40 εκατοστών που αναπτύχθηκε από την ερευνητική ομάδα αναμένεται να ωθήσει την ενέργεια διακοπής σε υψηλότερο επίπεδο.
