Essendo una fonte di energia unica, i super laser svolgono un ruolo chiave in molti aspetti come la ricerca scientifica, l'industria e la medicina. Al fine di ottenere impulsi laser ad alta intensità, i raggi generalmente convergono a dimensioni molto ridotte nello spazio e, dopo la convergenza, divergeranno rapidamente a causa degli effetti di diffrazione. Tuttavia, in aree come l'accelerazione del campo di attivazione laser, i laser sono tenuti a mantenere un'elevata intensità della luce su una distanza considerevole. Uno studio condotto da Marlene Turner, scienziata del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), si estende a questo campo.
Nell'accelerazione laser wakefield, il laser superpotente viene utilizzato per eccitare le onde elettrostatiche nel plasma e le particelle cariche possono essere accelerate nelle onde elettrostatiche, in modo simile al surf sul mare. La particolarità di questo tipo di acceleratore è che la distanza di accelerazione richiesta alle particelle cariche per ottenere una certa quantità di energia è migliaia di volte inferiore a quella dei metodi di accelerazione tradizionali. Tuttavia, se il raggio laser non è guidato, si disperderà subito dopo la messa a fuoco, riducendo notevolmente l'intensità dell'impulso laser e la distanza di accelerazione che può guidare il campo di scia ad alta intensità. Pertanto, l'accorciamento della distanza di accelerazione farà sì che le particelle non ottengano la migliore energia di accelerazione.
Per gli impulsi a bassa intensità, la soluzione alla diffrazione è la fibra ottica di vetro, che può guidare il raggio laser per migliaia di chilometri, ma i laser ad alta intensità possono danneggiare la fibra ottica. In un articolo nel secondo numero di High Power Laser Science and Engineering 2021, la professoressa Marlene Turner e altri hanno studiato la fibra di plasma utilizzata per i laser superpotenti. Il plasma può ridurre l'effetto di diffrazione e guidare il raggio laser per estendere la sua distanza di trasmissione ad alta intensità. . Il team di ricerca ha mostrato il capillare di scarico di alta qualità di 40 cm più lungo fino ad oggi.
In che modo la guida d'onda al plasma guida il laser? La lente o la fibra ottica possono deviare la luce laser attraverso la più forte distribuzione dell'indice di rifrazione al centro. Per il plasma, è ottenuto dalla distribuzione della densità elettronica più bassa al centro. L'aumento graduale della distribuzione della densità elettronica nella direzione radiale porta ad un graduale aumento dell'indice di rifrazione nella direzione radiale, che è come una lente super potente o un tubo laser per laser ad alta potenza.
Come si può generare un plasma del genere? Finora sono state implementate diverse tecnologie. In questo documento, i ricercatori hanno utilizzato un tubo capillare in zaffiro riempito di gas con elettrodi collegati a entrambe le estremità. Il plasma è generato da scariche ad alta tensione. La corrente di scarica riscalda il plasma e lo raffredda vicino alla parete del tubo, abbassando la temperatura più vicina alla parete del tubo. Poiché la pressione dell'aria è bilanciata, la densità degli elettroni dal centro alle estremità aumenta gradualmente, il che si traduce in una guida d'onda super forte per guidare il raggio laser.
A differenza di una lente di vetro statica o di una fibra ottica, la guida d'onda plasmonica viene ristabilita ad ogni impulso. Pertanto, i ricercatori hanno studiato in dettaglio le variazioni dei parametri di ciascuna scarica e hanno dimostrato un'eccellente stabilità e ripetibilità. Questo è molto importante per il raggio in accelerazione con variazioni multiparametriche nell'accelerazione del campo di scia del laser. I ricercatori hanno scoperto che la variazione dei parametri della guida d'onda nei diversi processi di scarica è inferiore all'1% e la distribuzione della densità in ciascun canale è molto vicina. Ciò significa che ogni impulso laser viaggerà allo stesso modo lungo lo stesso percorso nella guida d'onda.
& quot;Questo lavoro mostra che il tubo capillare può generare un plasma molto stabile, il che indica che le fluttuazioni osservate nelle prestazioni dell'acceleratore sono principalmente dovute alle fluttuazioni dell'azionamento laser, ed è necessario un controllo del feedback laser molto istantaneo per garantire stabilità." Tecnologia dell'acceleratore California LBNL Il Dr. Cameron Geddes, Direttore del Dipartimento di Fisica Applicata, ha fornito i commenti di cui sopra su questo lavoro.
Il controllo preciso della forma della lente di vetro determina le prestazioni ottiche, ma è una sfida controllare il plasma allo stesso livello. Idealmente, la distribuzione della densità elettronica è parabolica, ma in realtà non è più una parabola lontana dall'asse del canale. I ricercatori hanno scoperto che questo è molto importante nel plasma come sistema di telescopi per aumentare il punto focale del raggio. Attraverso un controllo molto preciso, i ricercatori in questo articolo utilizzano plasma parabolico distribuito vicino al punto focale del laser per guidare il laser, in modo che la qualità del raggio non diminuisca durante la propagazione del raggio. La guida d'onda capillare di scarica ha ottenuto elettroni ad alta energia nell'acceleratore di wakefield laser. La guida d'onda lunga 40 cm sviluppata dal team di ricerca dovrebbe spingere l'energia di taglio a un livello superiore.
