Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har designat en kompakt multi-petawatt-laser som använder plasmaöverföringsgitter för att övervinna effektbegränsningarna hos konventionella optiska gitter i fast tillstånd. Designen skulle kunna möjliggöra konstruktion av en ultrasnabb laser som är upp till 1 000 gånger kraftfullare än befintliga lasrar av samma storlek.

Petawat-lasrar (quadrillion-watt) är beroende av diffraktionsgitter för chirped-pulse amplification (CPA), en teknik för att sträcka ut, förstärka och sedan komprimera en högenergilaserpuls för att undvika att skada optiska komponenter. CPA, som vann ett Nobelpris i fysik 2018, är kärnan i National Ignition Facility's Advanced Radiographic Capability samt NIF:s föregångare, Nova Laser, världens första petawattlaser.

Med en skadetröskel som är flera storleksordningar högre än konventionella reflektionsgitter, tillåter plasmagitter oss att leverera mycket mer kraft för samma storleksgitter, säger tidigare LLNL postdoc Matthew Edwards, medförfattare till en Physical Review Applied uppsats som beskriver den nya designen publicerad online den 9 augusti. Edwards fick sällskap på tidningen av Laser-Plasma Interactions Group Leader Pierre Michel.

"Glasfokuseringsoptik för kraftfulla lasrar måste vara stor för att undvika skador," sa Edwards. "Laserenergin sprids ut för att hålla den lokala intensiteten låg. Eftersom plasman motstår optisk skada bättre än en glasbit, till exempel, kan vi tänka oss att bygga en laser som producerar hundratals eller tusentals gånger så mycket kraft som ett nuvarande system utan gör det systemet större."

LLNL, med 50 års erfarenhet av att utveckla högenergilasersystem, har också länge varit ledande inom design och tillverkning av världens största diffraktionsgitter, såsom guldgitter som används för att producera 500-joule petawatt-pulser på Nova-lasern på 1990-talet. Ännu större gitter skulle dock krävas för nästa generations multi-petawatt och exawatt (1 000 petawatt) lasrar för att övervinna gränserna för maximal fluens (energitäthet) som ställs av konventionell solid optik (se "Holografiska plasmalinser för ultrahöga -Strömlasrar").

Edwards noterade att optik gjord av plasma, en blandning av joner och fria elektroner, är "väl lämpade för en laser med relativt hög upprepningshastighet och hög medeleffekt." Den nya designen skulle till exempel kunna göra det möjligt att sätta upp ett lasersystem som i storlek liknar L3 HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) vid ELI Beamlines i Tjeckien, men med 100 gånger toppeffekten.

Designad och konstruerad av LLNL och levererad till ELI Beamlines 2017, designades HAPLS för att producera 30 joule energi på en 30-femtosekund (kvadrilliondels sekund) pulslängd, vilket är lika med en petawatt, och göra det vid 10 Hertz ( 10 pulser per sekund).

"If you imagine trying to build HAPLS with 100 times the peak power at the same repetition rate, that is the sort of system where this would be most suitable," said Edwards, now an assistant professor of mechanical engineering at Stanford University.

"The grating can be remade at a very high repetition rate, so we think that 10 Hertz operation is possible with this type of design. However, it would not be suitable for a high-average-power continuous-wave laser."

While plasma optics have been used successfully in plasma mirrors, the researchers said, their use for pulse compression at high power has been limited by the difficulty of creating a sufficiently uniform large plasma and the complexity of nonlinear plasma wave dynamics.

"It has proven difficult to get plasmas to do what you want them to do," Edwards said. "It's difficult to make them sufficiently homogenous, to get the temperature and density variations to be small enough, and so on."

"We're aiming for a design where that kind of inhomogeneity is as small a problem as possible for the overall system—the design should be very tolerant to imperfections in the plasma that you use."

Based on simulations using the particle-in-cell (PIC) code EPOCH, the researchers said, "we expect that this approach is capable of providing a degree of stability not accessible with other plasma-based compression mechanisms, and may prove more feasible to build in practice." The new design "needs only gas as the initial medium, is robust to variations in plasma conditions, and minimizes the plasma volume to make sufficient uniformity practical."

"By using achievable plasma parameters and avoiding solid-density plasma and solid-state optics, this approach offers a feasible path toward the next generation of high-power laser." + Utforska vidare

Researchers design holographic lenses based on plasma