Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat och testat ett innovativt optiskt system för att exakt mäta och kontrollera positionen och pekvinkeln för högeffektlaserstrålar med oöverträffad noggrannhet— utan att avbryta eller störa strålarna. Det nya systemet kommer att hjälpa användare inom hela vetenskapen att få ut det mesta av högeffektlasrar.

Den experimentella valideringsinsatsen leddes av doktorand Fumika Isono från Berkeley Lab och UC Berkeley. Hennes resultat beskrivs i en artikel som nyligen publicerades av Cambridge University Press-tidskriften, High Power Laser Science and Engineering.

"Detta är ett enormt framsteg inom mätning och kontroll som kommer att gynna högeffektlaseranläggningar över hela världen, sa Cameron Geddes, Direktör för Berkeley Labs division Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP), som BELLA Center är en del av.

Mätning utan störningar

Människor tänker på en laser som så exakt att den passerar in i språket som en metafor, men användare med krävande applikationer vet att laserstrålar rör sig i en liten skala som svar på vibrationerna och variationen i även den mest kontrollerade labbmiljön.

"Att missa målet med så lite som några mikron kan göra skillnaden mellan fantastisk vetenskap och ett oönskat tillägg till bakgrundsljud, sa Isono.

Pekvinkelförskjutningar på mindre än en tusendels grad kan också resultera i oönskade komplexiteter. Det är där diagnostiska sensorer och återkopplingssystem kommer in i bilden.

Att mäta dessa parametrar både exakt och utan att fånga upp strålen är tricket. Traditionella metoder minskar antingen strålens kraft kraftigt genom att fånga upp dess pulser (vilket i alla fall är svårt för intensiva, högeffektsstrålar) eller drabbas av felaktigheter eftersom de inte mäter strålen exakt som levererad. BELLA Centers innovativa tillvägagångssätt innebär att dela av och övervaka en lågeffekts exakt kopia av helljuset, reflekteras från den bakre ytan av en specialdesignad slutoptik i strållinjen.

Hjärtat i detta nya tillvägagångssätt är en laserarkitektur med tre nyckelegenskaper. Först, den ger samtidigt fem högeffektpulser och tusen lågeffektpulser per sekund, alla följer samma väg. Andra, strållinjedesignen är optimerad för att hålla högeffekts- och lågeffektpulserna matchade i storlek och divergens. Till sist, den ersätter en av de reflekterande strållinjespeglarna med en innovativ kilformad reflektor som har specialbeläggningar på både fram- och baksidan.

Nästan hela helljuset reflekteras från optikens främre yta utan att på annat sätt påverkas märkbart. En liten bit av strålen, representerar kanske 1 % av ineffekten, fortplantar sig genom den främre ytan och reflekteras från den bakre ytan. Denna "vittnesstråle" går igenom eventuell efterföljande optik nästan parallellt med helljuset, med lagom avledning för enkel placering av mätinstrument. Slutresultatet är en vittnesstråle med pekvinkel och tvärläge högt korrelerade med huvudstrålens.

Resultatet, sa Isono, är "en mätning som inte kommer att störa huvudlaserstrålen, men berättar mycket exakt för oss om det."

Fördelar för BELLA Center och vidare

Ett nära framtida mål är att använda denna diagnostik som en del av ett återkopplingssystem för aktiv stabilisering av laserns tvärgående position och pekvinkel. Preliminära studier med 100-terawatt-lasern vid BELLA Center har varit lovande. Manuskriptet beskriver möjligheten att ta bort jitter på högeffekts 5 Hz laser genom att aktivt stabilisera lågeffekt 1 kHz laserpulsståg. Laserstrålens vibration och rörelse observerades ske på en skala av några tiotals hertz, vilket ligger väl inom ramen för ett praktiskt återkopplingssystem. En femfaldig förbättring av position och vinkel för högeffekts laserpulsleverans förväntas.

Utvecklingen av laser-plasma partikelacceleratorer (LPA), som är det primära uppdraget för BELLA Center, exemplifierar den potentiella fördelen med denna innovation. LPA:er producerar ultrahöga elektriska fält som accelererar laddade partiklar mycket snabbt, och erbjuder därmed löftet om en nästa generation av mer kompakta, mer prisvärda acceleratorer för en mängd olika applikationer. Eftersom LPA:er utför sin acceleration i ett tunt ihåligt rör, eller "kapillär, " de skulle ha stor nytta av förbättrad kontroll av drivlaserstrålens position och pekvinkel.

En omedelbar tillämpning vid BELLA Center är användningen av en laserdriven plasmaaccelerator (LPA) för att tillhandahålla elektronstrålar för en frielektronlaser (FEL) – en enhet som producerar ljusa fotonpulser med en mycket högre energi och kortare våglängd än synligt ljus.

"The undulator, den magnetiska arrayen i hjärtat av FEL, har mycket stränga krav på elektronstråleacceptans, som direkt relaterar till LPA-drivenhetens laserpekningsvinkel och tvärgående fluktuationer, sa Isono.

Den föreslagna kBELLA, ett nästa generations lasersystem som kommer att kombinera hög effekt med en kilohertz upprepningshastighet, kommer att vara en annan trolig tillämpning.

Intresse från laserlaboratorier världen över förväntas. "Detta arbete är inte begränsat till laser-plasmaacceleration, " sa BELLA Center Director Eric Esarey. "Det tillgodoser ett specifikt behov i hela lasersamhället med hög effekt, nämligen, bevisar en korrelerad lågeffektkopia av högeffektpulsen utan signifikant störning. Överallt som en högeffektlaserstråle behöver levereras med viss precision till alla applikationer, denna diagnostik kommer att göra stor skillnad. Tänk på laser-partikelkollisionsexperiment, eller laserinteraktioner med mikronprecisionsmål som kapillärer eller droppar."