Högeffektlaserpulser fokuserade på små fläckar för att nå otroliga intensiteter möjliggör en mängd olika tillämpningar, allt från vetenskaplig forskning till industri och medicin. På Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, till exempel, intensitet är nyckeln till att bygga partikelacceleratorer tusentals gånger kortare än konventionella som når samma energi. Dock, laserplasmaacceleratorer (LPA) kräver långvarig intensitet över många centimeter, inte bara ett punktfokus som snabbt expanderar på grund av diffraktion.

För att uppnå varaktig intensitet, BELLA Center, vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), använder tunna ihåliga strukturer, eller "kapillärer, " innehållande ett plasma för att transportera ljusets pulser. BELLA Centers forskare har drivit mot längre och längre kapillärer när de strävar efter högre strålenergier med sina LPA.

Deras senaste arbete visar, med högre precision än någonsin tidigare, att dessa plasmavågledare är extremt stabila och av reproducerbart hög kvalitet, och att dessa egenskaper kan bibehållas över avstånd så länge som 40 centimeter. Det bekräftar att denna nyckelteknologi för LPA:er kan skalas upp när BELLA Center driver mot högre energier, gynna potentiella tillämpningar som sträcker sig från biomedicinsk forskning och behandling till fri-elektron-laserljuskällor för forskningsanläggningar.

Arbetet leds av postdoktor Marlene Turner, arbeta med personalforskaren Anthony Gonsalves – beskrivs i en studie publicerad i tidskriften High Power Laser Science and Engineering .

"Detta arbete visar att kapillärer kan producera extremt stabila plasmamål för acceleration och att observerade variationer i acceleratorprestanda främst är laserfluktuationsdrivna, som indikerar behovet av aktiv laseråterkopplingskontroll, sa Cameron Geddes, chef för Accelerator Technology and Applied Physics Division, moderorganisation för BELLA Center.

Plasmakanaler ger konsekvent vägledning till kraftfulla pulser

Fiberoptik kan transportera laserstrålepulser över tusentals kilometer, en princip som är bekant i moderna datornätverk. Dock, med de höga laserintensiteterna som används vid BELLA Center (20 storleksordningar mer intensiv än solljuset på jordens yta), elektroner skulle nästan omedelbart avlägsnas från sina moderatomer av laserfältet, förstöra fasta material som glasfibrer. Lösningen är att använda plasma, ett tillstånd av materia där elektroner redan har avlägsnats från deras atomer, som en "fiber".

BELLA Center har använt plasma för att styra laserpulser över avstånd så långa som 20 centimeter för att uppnå de högsta laserdrivna partikelenergierna hittills. Plasman skapas av en elektrisk urladdning inuti kapillären. Det är här elektroner "surfar" en våg av ultrahögt elektriskt fält som skapas av laserpulsen. Ju längre det hållbara fokuset är, desto snabbare går de i slutet av turen.

Dock, gasnedbrytningen i en elektrisk urladdning är en våldsam och till stor del okontrollerad händelse (föreställ dig en liten, begränsat blixtnedslag). Kartlägger en väg framåt mot allt högre energier och precisionskontroll på BELLA Center, forskare behövde veta hur reproducerbara de vågledande egenskaperna är från en laserpuls till en annan, och hur väl varje laserpuls kan styras.

För att ge vågledande resultat analogt med en fiberoptik, plasmadensiteten ska vara lägst i mitten, med en profil som matematiskt beskrivs som parabolisk. "Vi visade, med oöverträffad precision, att plasmaprofilerna verkligen är mycket paraboliska över laserpulsfläckstorleken de är designade för att styra, "sa Gonsalves." Detta möjliggör pulsutbredning i vågledaren utan kvalitetsnedbrytning. "

Andra typer av plasmavågledare (det finns flera sätt att skapa dem) kan också mätas med hög precision med dessa metoder.

Mätprecisionen var också idealisk för att undersöka hur mycket densitetsprofilen ändras från ett laserskott till ett annat, eftersom även om kapillären är hållbar, den vågledande plasman i den bildas på nytt varje gång. Teamet hittade enastående stabilitet och reproducerbarhet.

"Dessa resultat, tillsammans med vårt pågående arbete med aktiv feedback med hjälp av maskininlärningstekniker, är ett stort steg för att förbättra stabiliteten och användbarheten hos laserplasmaacceleratorer, sa Eric Esarey, chef för BELLA Center. (Aktiv feedback för att stabilisera laserfluktuationer är också föremål för forskning och utveckling vid BELLA Center.)

Guidade laserpulser lyser upp en väg mot framsteg

Laser-plasmaaccelerationsteknik kan minska storleken och kostnaderna för partikelacceleratorer – vilket ökar deras tillgänglighet för sjukhus och universitet, till exempel, och slutligen föra dessa fördelar till nästa generations partikelkolliderare för högenergifysik. En av nycklarna till att öka sin partikelstråleenergi utöver det nuvarande rekordet på 8 miljarder elektronvolt (GeV) är användningen av längre accelererande kanaler; en annan är "iscensättning, " eller användningen av utsignalen från en accelerationsmodul som indata till en annan. Att verifiera kvaliteten på plasmakanalen där accelerationen äger rum - och konsistensen och reproducerbarheten av den kvaliteten - ger ett förtroendevotum för den tekniska grunden för dessa planer.

Förutom att visa att denna kapillärbaserade vågledare är av hög och jämn kvalitet, detta arbete involverade vågledare dubbelt så långa som den som användes för att uppnå rekordstor energi. "De precisions 40 centimeter långa vågledare som vi nu har utvecklat kan pressa dessa energier ännu högre, sa Turner.