En ny studie kräver att USA ska öka sina laser -FoU -insatser för att bättre konkurrera med stora utomeuropeiska ansträngningar för att bygga stora, lasersystem med hög effekt, och noterar framsteg och milstolpar vid Department of Energy's Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center och andra platser.

En investering i den så kallade "andra laserrevolutionen" lovar att öppna en rad applikationer, från bearbetning till medicin till partikelacceleration, enligt decemberrapporten från National Academies of Sciences, Teknik, och medicin, som erbjuder oberoende analys till statliga myndigheter och beslutsfattare.

Den 280-sidiga rapporten, "Möjligheter i intensiva ultrasnabba lasrar:att nå det starkaste ljuset", rekommenderar ökad samordning och samarbete mellan statliga laboratorier och myndigheter, universitet, och industri för att bygga upp amerikanska laseranläggningar och kapacitet.

Det rekommenderar också att DOE leder skapandet av en nationell strategi för att utveckla och driva storskaliga nationella laboratoriebaserade laserprojekt, medelstora projekt som eventuellt kan vara värd för universitet, och ett laserteknologiskt överföringsprogram som ansluter industrin, akademin, och nationella laboratorier.

Kommittén som utarbetade rapporten besökte Berkeley Lab och andra nationella laboratorier i norra Kalifornien, inklusive SLAC National Accelerator Laboratory och Lawrence Livermore National Laboratory. Kommittén besökte också laseranläggningen Extreme Light Infrastructure Beamlines som pågår i Tjeckien, och Laboratory for Laser Energetics vid University of Rochester i New York.

Vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), BELLA-forskare arbetar med att utveckla laserbaserade accelerationstekniker som kan leda till mer kompakta partikelacceleratorer för högenergifysik och drivkrafter för ljusenergier med hög energi; också, rapporten noterar, "laserkunskap och utnyttjande" som hade koncentrerats till andra laboratorier "breddas nu med planer för användning av lasrar på (Berkeley Lab)" och på andra håll.

BELLA har gjort framsteg när det gäller att demonstrera elektronernas snabba acceleration med separata steg av laserbaserad acceleration genom att bilda och värma plasma där en kraftig våg skapas för elektroner att "surfa" på.

"Det har redan gjorts mycket arbete, och Berkeley Lab har varit en nyckelutvecklare för visionen om vart saker måste gå, "sa Wim Leemans, chef för BELLA -centret och Labs division Accelerator Technology &Applied Physics.

Berkeley Lab var hem för ett banbrytande experiment) 2004 som visade att laserplasmaacceleration kan producera relativt smala energispridande strålar - rapporterat i den så kallade "Dream Beam" -utgåvan av tidskriften Natur -och använde 2006 en liknande laserdriven accelerationsteknik för att accelerera elektroner till en då registrerad energi på 1 miljard elektronvolt, eller GeV. Den prestationen följdes 2014 av en 4,2 GeV -stråle, använder den kraftfulla nya lasern som är kärnan i BELLA Center och kommer att vara nyckeln till dess pågående kampanj för 10 GeV. 1996, Berkeley Lab loggade också den första demonstrationen av röntgenpulser som varade bara kvadriljondelar av en sekund med en teknik som kallas "invers Compton-spridning, "noterar rapporten.

K-BELLA:kombinerar hastighet och kraft

"Vad industrin ser är drivkraften mot högre medeleffektlasrar och ultrasnabba lasrar, och det börjar påverka bearbetning och industriella applikationer, "Sa Leemans." Det är riktigt goda nyheter för oss. "I laserspråk, genomsnittlig effekt avser hur mycket total effekt lasern släpper ut över tid, räkna pulserna och "avstängningstiden" mellan pulserna, medan toppeffekten är den för en individuell puls.

En snabb eldning av högeffektspulser ger en laser högre medeleffekt och kan eventuellt appliceras på ett större antal användningsområden. National Academies -rapporten rekommenderar att amerikanska vetenskapliga intressenter ska arbeta med att definiera de tekniska specifikationerna för laserprestationsmål, som mål för toppeffekt, repetitionsfrekvens, pulslängd, och laserljusets våglängd.

Under 2012 satte BELLA Centers laser rekord genom att leverera en petawatt (kvadrillion watt) kraft packad i pulser som mätte 40 kvadriljondelar av en sekund i längd och kom med en hastighet av en per sekund.

Ett nytt mål är att höja denna puls till 1, 000 per sekund, eller en kilohertz, för en nästa generations uppgradering kallad K-BELLA. Producerar pulsfrekvenser på upp till 10, 000 eller 100, 000 per sekund kan göra denna maskin relevant för en ny typ av laserbaserad partikelaccelerator.

"Det finns många applikationer för en laser i k-BELLA-stil, "Sa Leemans. Visionen är att k-BELLA ska vara en samarbetsforskningsanläggning som skulle vara öppen för forskare utanför labbet, han sa, som också synkroniseras med rekommendationerna i rapporten för att främja en mer samarbetsvillig miljö för laservetenskap och forskare. Att smida och upprätthålla anslutningar till andra lasercenter i världsklass är också viktigt för det amerikanska laserprogrammet, rapporten noterar.

En annan uppgradering som kan vara användbar för det amerikanska laserprogrammet är tillägget av en andra strållinje på BELLA, Sa Leemans. En andra strållinje kan möjliggöra exotiska kollisioner mellan en ljusstråle och en elektronstråle, eller mellan två ljusstrålar.

Laserproducerade strålar av ljuselement, och laserproducerade elektroner med låg energi kan också bedrivas på BELLA för att utveckla den biomedicinska grunden för nya typer av medicinska behandlingar som bättre riktar sig mot cancer, till exempel. "Vi ser fram emot att förbättra våra egna lasermöjligheter på Berkeley Lab samtidigt som vi arbetar med våra partners för att stärka nationens laser -FoU -insatser, "sa James Symons, associerad laboratoriedirektör för fysik. "Högre genomsnittliga lasrar kommer att vara avgörande för alla praktiska tillämpningar av laserplasmacceleratorer."