基于等离子体透镜,科学家打造出40cm内可稳定输出的高强度激光器

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高功率激光脉冲聚焦在小点上,最终达到令人难以置信的强度,这将使从科学研究到工业和医药的各种应用成为可能。

例如,在伯克利实验室的激光加速器(BELLA)中心,激光脉冲强度实现大幅提高,并且成为了建造比传统加速器脉冲要短数千倍的粒子加速器的关键。

然而,激光等离子体加速器(lpa)需要持续的强度,而不仅仅是由于衍射而迅速膨胀的焦点。

为了达到持续的强度,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的贝拉中心(BELLA Center)使用了含有等离子体的薄空心结构或“毛细血管”(capillaries)来传输光脉冲。

BELLA中心的科学家们,一直在推动打造更长的“毛细血管”,以争取赋予离子体加速器(lpa)以更高的光束能量。

他们最新的工作表明,这些等离子体波导的精度比以往任何时候都要高,非常稳定,高质量且可复制——这些特性可以在长达40厘米的距离内可以稳定保持。

它证实,随着BELLA中心向更高能量的推进,lpa的这一关键技术可以扩大——从生物医学研究和治疗,到研究设施的自由电子激光光源等潜在应用都将受益。

这项研究由博士后学者Marlene Turner领导,发表在《高功率激光科学与工程》(High Power Laser Science and Engineering)杂志上。

“这项工作表明,‘毛细血管’可以产生非常稳定的等离子体目标从而进行加速。而观察到的加速器性能变化,主要是激光波动驱动的,这表明需要主动激光反馈控制。”加速器技术和应用物理部门主任Cameron Geddes表示。

光纤可以将激光脉冲传输数千公里,这是现代计算机网络的一个常见原理。然而,BELLA中心使用的高激光强度(比地球表面的阳光强度高出20个数量级),激光场会在几乎瞬间将电子从它们的母原子中移除,破坏玻璃纤维等固体材料。对应的解决方案是使用等离子体作为“纤维”,等离子体是一种电子已经从原子中移除的物质状态。

BELLA中心使用等离子体引导激光脉冲,跨越长达20厘米的距离,以获得迄今为止最高的激光驱动粒子能量。等离子体是由“毛细血管”内的放电产生的。这是电子在由激光脉冲产生的超高电场波中“冲浪”的地方。持续专注的时间越长,他们在“冲浪”结束时的速度就越快。

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