Inriktning av en sekvens av förstärkare och speglar med hårtunna precision på en bordsskiva förankrad i ett stålblock djupt under jorden, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har tagit fram en kraftfull grön laser. Ljuset – den gröna lasern med högsta medelkraft som någonsin genererats av en enda fiberbaserad laser – kommer att vara avgörande för experiment inom kärnfysik vid labbets Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

"När det gröna ljuset träffar ett mål 27 meter nedströms från denna bordsskiva, det kommer att generera pulser av elektroner som behövs för att kyla jonstrålarna vid RHIC för att hålla dem kolliderande, "sa Brookhaven -fysikern Zhi Zhao, som byggde lasersystemet och är huvudförfattare på ett papper som beskriver dess attribut i Optik Express , en tidskrift för Optical Society of America. Förutom att kyla jonstrålar vid RHIC, en sådan högeffektsgrön laser kan också ha applikationer inom materialbearbetning, laserbearbetning, och generera andra lasrar.

Använda elektroner för att kyla jonstrålar

Höga kollisionshastigheter vid RHIC genererar mängder av data för 1, 000 kärnfysiker som kommer till denna DOE Office of Science User Facility för att studera de intrikata detaljerna i materiens byggstenar. Kollisionerna reducerar byggstenarna till sin mest primitiva form - en soppa av fundamentala partiklar som efterliknar förhållandena i det tidiga universum. Men när jonerna cirkulerar genom RHIC:s tunnlar med en omkrets på 2,4 mil, de tenderar att värmas upp och spridas isär, minskar risken för kollisioner.

"Intra-strålespridning gör att jonerna sprids ut och går vilse, så strålen inte överlever, "sa RHIC -acceleratorfysikern Michiko Minty, en medförfattare på papperet och ledare för projektet för att utveckla och integrera denna laser i RHIC-kollideroperationer.

Uppvärmning är ett särskilt problem när jonstrålarna cirkulerar med relativt låga energier - inom ett intervall som RHIC-forskare använder för att studera intressanta aspekter av hur ursoppan förvandlas till mer välbekanta protoner och neutroner. Så fysiker vid RHIC har undersökt sätt att med jämna mellanrum injicera en ström av relativt svala elektroner för att ta bort en del av jonernas värme.

"Hela poängen med elektronkylning är att stoppa spridningen av jonbuntarna för att maximera kollisionshastigheten, sa Minty.

Elektronkylning har varit framgångsrik vid andra partikelacceleratorer. Men vid RHIC undersöker fysiker nya strategier för att generera elektronstrålar vid mycket höga elektronenergier (miljarder elektronvolt), vilket kräver användning av linjär radiofrekvensacceleration av energiska buntar.

"Vi måste göra buntar av elektroner som överlappar med jonbuntarna, och jonbuntarna upprepar. Så vi vill generera en uppsättning pulståg av elektroner som sampropagerar med jonerna så att jonernas energi kan överföras till elektronerna, får jonstrålen att krympa, sa Minty.

Tanken är att använda pulser från en laser för att träffa ett fotoemissivt material-ett material som avger elektroner när den träffas med precis rätt våglängd, eller färg, ljus - inuti ett fotokatodelektronpistol. När det gäller fotokatoden installerad i elektronpistolen vid RHIC, den magiska färgen är grön.

(Infrarött ljus, grönt ljus, 1, 2, 3!

För att få grönt ljus, Brookhaven-teamet började med något osynligt, en infraröd (IR) "frö" -laser med relativt låg effekt. De skickar modulerade pulser av det osynliga IR -ljuset genom en serie optiska fibrer för att förstärka effekten.

När ljuset från en extra IR "pump" -laser kommer in i fibern, det exciterar elektroner i materialet som täcker fibern. När dessa elektroner slappnar av tillbaka till sitt "grundtillstånd, "de avger fotoner av ljus vid IR -våglängden, perfekt i synk med IR -vågorna, gradvis öka signalstyrkan i flera fiberförstärkarsteg.

När den önskade effekten nås, den infraröda lasern träffar en "frekvensfördubblande" kristall.

"När två fotoner av infrarött ljus träffar kristallen, den avger en foton med kortare våglängd, "Förklarade Zhao." Fördubbling av frekvensen skär väsentligen våglängden, ändra IR -ingången till grönt synligt ljus. "

Det gröna laserljuset sicksackar sedan längs banor som styrs av speglar på bordsskivan genom olika optiska komponenter för att optimera nätlaserutmatningen. Dessa inkluderar flera kristaller som används för att omvandla korta laserpulser till ett tåg med flera pulser (tidsformning), en mängd olika linser för att producera den önskade tvärprofilen för laserpulserna (rumslig formning), och så kallade halvvågsplattor som används för att passera eller avvisa passage av laserstrålen för att styra den totala laserintensiteten.

Efter det här, laserljuset styrs till en serie elektriska optiska modulatorer - "enheter som hugger ut delar av laserljuset för att producera den önskade sekvensen av laserpulser - en sekvens som matchar strukturen hos jonstrålarna som ska kylas, " förklarade Minty.

Målet är att tajma pulserna så att de matchar frekvensen hos elektronkanonen så att de resulterande elektronerna kan accelereras för att perfekt matcha de accelererade jonerna som cirkulerar i RHIC.

"I slutändan är det jonstrålens hastighet som" avgör "vad vi behöver, och allt måste matchas med det. Vi får en signal från de jonaccelererande hålrummen som används för att generera tidssignalerna för komponenterna som genererar laserpulsstrukturen, "Sa Minty.

Förankra och testa ljuset

Fiberlasrar är särskilt väl lämpade för att generera elektronbuntar med hög ljusstyrka i fotokatelektroninjektorer. Fiberns höga yt-volym-förhållande stöder generering och leverans av laserpulser vid hög upprepningshastighet och hög genomsnittlig lasereffekt. Också, dynamiken i laserljuset som sprider sig genom fibern leder till utmärkta laserprofiler, låga variationer i laserns position, och underhållsfri drift. Sammantaget resulterar dessa egenskaper i långsiktig drift av en mycket stabil laser, vilket är viktigt för RHIC -fysikprogrammen.

Två nyckelfaktorer forskarna behöver kontrollera är laserns utrotningsförhållande - skillnaden mellan att lasern är på och av - och dess stabilitet.

"Om du har ljus närvarande när det inte ska vara där, du får kvarvarande elektroner, som kan ge oönskade effekter, "Sa Minty." Vi siktar på en faktor 10-6, vilket betyder att när vi säger att den är avstängd är den avstängd, och bara en av en miljon elektroner kommer igenom. "

För stabilitet, forskarna måste se till att ljusets väg inte avviker mer än 10 mikron från dess utgångspunkt till fotokatodpistolen i RHIC -tunneln, även med alla förstärkningssteg och sicksackvägar på bordsskivan.

"Övergripande, vägen är cirka 30 meter — 3 meter på bordsskivan med 40 speglar som skapar sicksackbanan och 27 meter i överföringslinjen, "sa Zhao, stående inuti mobilvagnen som rymmer lasern utanför RHIC -ringen.

"Vi stabiliserade bordet genom att gräva ett stort hål och gräva ner ett 50-tons stålblock i nivå med Long Islands grundvattennivå, och borrade hål i trailern för att fästa laserbordet vid det blocket, " sa Minty. "Du kan hoppa upp och ner på golvet här inne och bordet rör sig inte, " tillade hon, pekar ut superstabila stolpar som håller speglar och andra nyckelkomponenter på det rörelseisolerade bordet.

Också, de långa evakuerade rören genom vilka laserresorna är frikopplade från flera mindre optiska bord mellan släpvagnen och elektronpistolen som finns inne i RHIC -höljet. Dessa bord rymmer optik och speglar med stöd som också är utformade för termisk och vibrationsstabilitet.

Teamet – som också inkluderade Brian Sheehy (nyligen pensionerad) och ett nytt tillskott, Patrick Inacker-har redan uppnått två viktiga milstolpar för experimentet med lågenergi-elektronkylning. Den 9 mars, 2017, de transporterade framgångsrikt en inriktningslaser genom hela lasertransportsystemet, följt den 5 april av den första framgångsrika transporten med det gröna laserljuset. De första testerna av elektronkylning förväntas börja under RHIC-verksamheten i slutet av 2018 och början av 2019.