Världens högeffektlaserförstärkare med högst förstärkning - i många storleksordningar - har utvecklats i forskning ledd vid University of Strathclyde.

Forskarna visade möjligheten att använda plasma för att förstärka korta laserpulser med energi på picojoulenivå upp till 100 millijoule, vilket är en "förstärkning" eller förstärkning på mer än åtta storleksordningar - vilket skulle kunna liknas vid att förstärka ljudet av prasslande löv med ljudet från en jumbojet - i bara två mm plasma.

De använde 150 J-pulser från det kraftfulla Vulcan-lasersystemet vid Science and Technology Facilities Councils Central Laser Facility (CLF). Under loppet av två banbrytande experiment vid CLF, forskarna arbetade nära CLF-personalen för att anpassa Vulcanlasern så att två olika färglasrar kunde utbyta energi i ett plasma. Den uppmätta förstärkningskoefficienten på 180 cm-1 är mer än 100 gånger större än vad som kan uppnås från existerande högeffektlasersystemsförstärkare baserade på solid-state media.

Resultaten har publicerats i tidskriften Vetenskapliga rapporter , i en artikel med titeln En ultrahög förstärkning och effektiv förstärkare baserad på Ramanförstärkning i plasma.

Professor Dino Jaroszynski, vid Strathclydes institution för fysik, ledde forskningen. Han sa:"Ramanförstärkning i plasma är ett fascinerande koncept som kombinerar idéerna från Nobelfysikpristagaren CV Raman med plasma, optisk och laserfysik.

Här, en relativt lång, högenergilaserpuls görs att kollidera i plasma med en kort, mycket låg energipuls. Vid den punkt där de kolliderar producerar de en taktvåg, ungefär som två kolliderande vattenvågor. Det lätta trycket från taktmönstret driver plasmaelektroner in i ett regelbundet mönster eller echelon som efterliknar taktvågen. Denna flerskiktiga echelon fungerar som en mycket hög reflektivitet, tidsvarierande spegel som sveper upp energin från högenergipulsen och reflekterar den till lågenergipulsen, sålunda förstärker lågenergipulsen och komprimerar dess energi till en ljuspuls med ultrakort varaktighet.

"Våra resultat är mycket betydelsefulla eftersom de visar plasmamediets flexibilitet som ett förstärkarmedium med mycket hög förstärkning. Vi visar också att effektiviteten hos förstärkaren kan vara ganska stor, minst 10 %, som saknar motstycke och kan utökas ytterligare. Dock, den visar också vad som fortfarande behöver förstås och kontrolleras för att uppnå en högförstärkning i ett steg, högeffektiv förstärkarmodul.

"Ett exempel på de utmaningar som vi fortfarande står inför är hur vi ska hantera förstärkning av "brus" som produceras av slumpmässiga plasmafluktuationer, vilket förvärras av den extremt höga vinsten. Detta leder till oönskade kanaler för energin att gå. Vi gör utmärkta framsteg och tror att vi är i en utmärkt position för att lösa dessa problem i våra nästa experimentella kampanjer."

Dr Gregory Vieux som ledde forskargruppen som arbetar vid CLF, sa:"Plasma är ett mycket attraktivt medium att arbeta med. Det har ingen skadetröskel eftersom det redan är ett helt nedbrutet medium, därför kan vi använda den för att förstärka korta laserpulser utan att behöva sträcka och komprimera igen. En annan fördel är att ytterligare kompression under amplifieringen är teoretiskt möjlig. Detta kan bana väg för utvecklingen av nästa generations lasersystem som levererar ultraintensiva och ultrakorta pulser och till en bråkdel av kostnaden för befintliga lasrar.

"Fortfarande, vi är inte riktigt där än. Systemet bygger på att kontrollera Raman-instabiliteten. Den har en så stor tillväxtfaktor att den kan utvecklas och växa från små plasmafluktuationer."

Laserförstärkare är enheter som förstärker ljus. I de som är bekanta för oss, detta görs genom att synkronisera ljusemissionen från elektroner i atomer eller fast tillstånd, för att göra det sammanhängande, vilket är ett nödvändigt steg för att uppnå mycket höga befogenheter. Dock, Lasrar med mycket hög effekt vid teknologins gräns är begränsade av skador på deras optiska komponenter och förstärkningsmedia. Detta gör dem mycket stora och mycket dyra.

Plasma, universums allestädes närvarande medium, erbjuder en väg runt denna begränsning eftersom den är mycket robust och motståndskraftig mot skador - plasma kan ses som materia som redan har brutits ner till sina minsta beståndsdelar:elektroner och joner. Genom att utnyttja vågor i plasma kan vi dramatiskt minska storleken på laserförstärkare samtidigt som vi tillhandahåller en väg till mycket högre toppeffekter än vad som är möjligt nu, överskrider petawattintervallet för att eventuellt nå exawatt. Detta är ett mycket värdigt mål eftersom mycket intensiva laserpulser kan användas för grundläggande studier, som accelererande partiklar, hjälpa till att driva kärnfusion eller till och med utvinna partiklar från vakuum och återskapa förhållandena inuti stjärnor eller universums ursprungliga tillstånd i laboratoriet.

De högsta effektlasrarna i världen kommer att finnas tillgängliga för användning vid tre forskningscentra som ingår i projektet European Extreme Light Infrastructure (ELI). Detta projekt på 850 miljoner euro är tillägnat studien av ljus-materia-interaktioner vid högsta intensitet och kortaste tidsskala. Lasereffekten vid ELI kommer att vara 1016 watt eller 5% av den totala solens kraft som absorberas på jorden när som helst. Dessa lasrar kommer att leda till ny vetenskap och teknik som kan till exempel, omvandla vår förståelse för högfältsfysik och resultera i nya strålbehandlingsmetoder för behandling av cancer. Det finns ett behov av att minska kostnaderna för laserteknik, som plasma kunde erbjuda. Plasma kan vara en väg till högre krafter för att gå utöver de som finns tillgängliga hos ELI för att nå exawatteffekter.