Kot edinstven vir energije imajo super laserji ključno vlogo v številnih vidikih, kot so znanstvene raziskave, industrija in medicina. Da bi dobili laserske impulze visoke intenzivnosti, se žarki na splošno konvergirajo v zelo majhno velikost v prostoru, po konvergenci pa se zaradi difrakcijskih učinkov hitro razidejo. Na področjih, kot je lasersko pospeševanje budnega polja, pa morajo laserji vzdrževati visoko intenzivnost svetlobe na precejšnji razdalji. Študija, ki jo je vodila Marlene Turner, znanstvenica iz nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (LBNL), se razteza na to področje.
Pri laserskem pospeševanju wakefield polja se supermočni laser uporablja za vzbujanje elektrostatičnih valov v plazmi, nabite delce pa lahko pospešimo v elektrostatičnih valovih, podobno kot deskanje po morju. Najbolj posebnost te vrste pospeševalnika je, da je razdalja pospeševanja, ki je potrebna za nabite delce, da pridobijo določeno količino energije, tisočkrat krajša od razdalje tradicionalnih pospeševalnih metod. Če pa laserskega žarka ne vodimo, se bo kmalu po ostrenju razpršil in močno zmanjšal intenzivnost laserskega impulza in razdaljo pospeška, ki lahko poganja visokointenzivno budno polje. Zato bo skrajšanje razdalje pospeševanja povzročilo, da delci ne bodo dobili najboljše energije pospeška.
Za impulze z nizko intenzivnostjo je rešitev za difrakcijo steklo iz optičnih vlaken, ki lahko vodi laserski žarek na tisoče kilometrov, vendar lahko laserji z visoko intenzivnostjo poškodujejo optično vlakno. Profesorka Marlene Turner in drugi so v članku v drugi številki Laser Science and Engineering 2021 z veliko močjo preučevali plazemska vlakna, ki se uporabljajo za laserje z visoko močjo. Plazma lahko zmanjša difrakcijski učinek in usmerja laserski žarek, da podaljša svojo razdaljo prenosa z visoko intenzivnostjo. . Raziskovalna skupina je pokazala najdaljšo 40 cm visokokakovostno izpustno kapilaro doslej.
Kako plazemski valovod vodi laser? Leča ali optično vlakno lahko lasersko svetlobo odbije skozi najmočnejšo porazdelitev indeksa loma v sredini. Pri plazmi je to doseženo z najnižjo porazdelitvijo elektronske gostote v središču. Postopno povečanje porazdelitve elektronske gostote v radialni smeri vodi do postopnega povečanja lomnega količnika v radialni smeri, ki je kot superzmogljiva leča ali laserska cev za laserje z veliko močjo.
Kako lahko nastane takšna plazma? Doslej so bile uvedene številne tehnologije. V tem prispevku so raziskovalci uporabili plinsko napolnjeno safirno kapilarno cev z elektrodami, priključenima na oba konca. Plazmo proizvaja visokonapetostni razelektritev. Izpustni tok segreva plazmo in jo ohladi v bližini stene cevi, zaradi česar je temperatura bližje steni cevi nižja. Ker je zračni tlak uravnotežen, se elektronska gostota od središča do koncev postopoma povečuje, kar ima za posledico super močan valovod za vodenje laserskega žarka.
Za razliko od statične steklene leče ali optičnega vlakna se plazmonski valovod znova vzpostavi pri vsakem impulzu. Zato so raziskovalci podrobno preučili spremembe parametrov vsakega izpusta in pokazali odlično stabilnost in ponovljivost. To je zelo pomembno za pospeševalni žarek z večparametričnimi spremembami pri pospeševanju laserskega budnega polja. Raziskovalci so ugotovili, da je sprememba parametrov valovoda v različnih postopkih praznjenja manjša od 1%, porazdelitev gostote v vsakem kanalu pa je zelo blizu. To pomeni, da bo vsak laserski impulz potoval na enak način po isti poti v valovodu.
& "To delo kaže, da lahko kapilarna cev ustvari zelo stabilno plazmo, kar kaže, da so nihanja pri delovanju pospeševalnika predvsem posledica nihanja laserskega pogona, zato je za zagotovitev zelo hitrega laserskega povratnega nadzora potrebna stabilnost." Kalifornijska tehnologija pospeševalnika LBNL Dr. Cameron Geddes, direktor oddelka za uporabno fiziko, je dal zgornje pripombe na to delo.
Natančen nadzor oblike steklene leče določa optično zmogljivost, vendar je izziv nadzorovati plazmo na isti ravni. V idealnem primeru je porazdelitev elektronske gostote parabolična, v resnici pa ni več parabola daleč stran od osi kanala. Raziskovalci so ugotovili, da je to zelo pomembno v plazmi kot teleskopskem sistemu za povečanje žariščne točke žarka. Z zelo natančnim nadzorom raziskovalci v tem prispevku za vodenje laserja uporabljajo parabolično plazmo, porazdeljeno v bližini žarišča laserja, tako da se kakovost žarka med širjenjem žarka ne bo zmanjšala. Kapilarni valovod z razelektritvijo je v laserskem pospeševalniku budnega polja pridobil visokoenergijske elektrone. Pričakuje se, da bo 40 cm dolg valovod, ki ga je razvila raziskovalna skupina, presečno energijo potisnil na višjo raven.
