Konventionella partikelacceleratorer kan sträcka sig från stora rumstora enheter till anläggningar som är flera kilometer långa. Ett av de sätt som forskare har tittat på för att minska storleken och kostnaden för framtida acceleratorer är genom att utveckla laserdriven plasmacceleration. Sådana acceleratorer, dock, växer i storlek och komplexitet för att bibehålla relevansen för en av deras applikationer - hög energifysik. Dock, det finns många applikationer som kan använda en lägre energi och högre repetitionshastighet accelererad stråle. För första gången, forskare har observerat produktionen av relativistiska elektroner som drivs av lågenergi, ultrakorte mitten av infraröda laserpulser. Ett forskargrupp vid University of Maryland, USA, med stöd från det tekniska universitetet i Wien, Österrike, kommer att presentera sin grupps resultat kl Gränser inom optik + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), hölls 17-21 september 2017 i Washington, DC.
"Vi försöker utveckla laserdrivna acceleratorer som är extremt kompakta och har en hög upprepningshastighet, "sa Howard Milchberg, Medlem i The American Physical Society (APS) och The Optical Society (OSA), och professor i fysik och elektroteknik vid University of Maryland. "Det betyder att man använder så låg laserpulsenergi som möjligt för att generera relativistiska elektroner. Sådana källor skulle kunna användas vid snabb skanning för medicinsk, vetenskapliga och säkerhetsapplikationer. "
Nyligen, utvecklingen av optiska parametriska chirp-pulsförstärkningssystem (OPCPA) i mitten av infrarött har möjliggjort användning av långa våglängdspulser på femtosekundskalan. Fram till denna utveckling, laserpulser med lång våglängd har främst varit tillgängliga från CO2 -lasrar, men de har en komplicerad flerpulsstruktur med pulslängd som sträcker sig, på kortast möjliga tid, bortom flera pikosekunder, hundratals gånger längre.
Vanliga laserdrivna accelerationsexperiment beror på kort laserpulsinteraktion med ett gasmål. Jämfört med tidigare experiment, den långa drivvåglängden som användes i detta projekt resulterade i enkel åtkomst till det som kallas "kritisk densitet" -regimen. Eftersom den kritiska densiteten varierar omvänt som kvadraten i laservåglängden, gasmål som används för laser i mitten av IR kan vara upp till 100 gånger mindre täta än de som används i det synliga och nära IR, vilket gör dem mycket mindre svåra att konstruera.
"När några fem -millijoule femtosekund mitt -IR laserpulser fokuseras av en krökt spegel in i en vätgasstråle - en väteström som puffar ut ur ett munstycke - strålar en kollimerad puls av relativistiska elektroner ut på andra sidan jetstrålen, "Milchberg sa, beskriver experimentet. "Dock, detta kan inte hända om inte lasern uppnår en extremt hög intensitet - mycket högre än vad som kan uppnås genom att fokusera enbart med den böjda spegeln. Det gör det genom relativistisk självfokusering i den joniserade vätgasen så att den kollapsar till en storlek som är mycket mindre än dess fokuspunkt. "
Vikten av att vara i regimen för kritisk densitet, enligt Milchberg, är att det främjar relativistisk självfokusering även för lågenergilaserpulser. Denna förstärkta interaktion med hög intensitet genererar plasmavågor som påskyndar några av elektronerna från det joniserade vätet till en framåtriktad relativistisk stråle.
Teamet fann att elektronstrålar var närvarande för krafter så att den karakteristiska självfokuseringslängden i plasma var kortare än, gasstrålebredd, visar att elektronacceleration inte kan ske utan relativistisk självfokusering.
Relativistisk självfokusering är ett extremt exempel på den välkända processen med självfokusering i olinjär optik, men nu med bonusen för accelererade relativistiska partiklar som genereras från det olinjära mediet.
Även med bara 20 millijoules laser i mitten av IR, lasern i dessa experiment kan avsevärt överskrida tröskeln för relativistisk självfokusering, ger upphov till relativistisk multisträngning. Teamet observerade flera relativistiska elektronstrålar associerade med dessa trådar.
Dessa innovationer är bland de första stegen för utveckling och tillämpningar av laserdrivna acceleratorer med hög repetitionshastighet. "Särskilt, "Milchberg sa, "femtosekundlasrar med lång våglängd är särskilt lovande, eftersom de överraskande lätt kan komma åt den relativistiska olinjära regimen för fria elektroner. "
