Forskere designer kompakt høyeffektlaser ved hjelp av plasmaoptikk

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har designet en kompakt multi-petawatt-laser som bruker plasmaoverføringsgitter for å overvinne kraftbegrensningene til konvensjonelle solid-state optiske gitter. Designet kan muliggjøre konstruksjon av en ultrarask laser som er opptil 1000 ganger kraftigere enn eksisterende lasere av samme størrelse.

Petawatt (quadrillion-watt) lasere er avhengige av diffraksjonsgitter for chirped-pulse amplification (CPA), en teknikk for å strekke, forsterke og deretter komprimere en høyenergi laser puls for å unngå å skade optiske komponenter. CPA, som vant en Nobelpris i fysikk i 2018, er i hjertet av National Ignition Facility’s Advanced Radiographic Capability samt NIFs forgjenger, Nova Laser, verdens første petawatt-laser.

Med en skadeterskel som er flere størrelsesordener høyere enn konvensjonelle refleksjonsgitter, lar plasmagitter oss levere mye mer kraft for samme størrelse rist,” sa tidligere LLNL postdoc Matthew Edwards, medforfatter av a Fysisk gjennomgang brukt artikkel som beskriver det nye designet publisert på nett 9. august. Edwards fikk selskap på avisen av Laser-Plasma Interactions Group-leder Pierre Michel.

“Glassfokuseringsoptikk for kraftige lasere må være stor for å unngå skade,” sa Edwards. “Laserenergien spres for å holde den lokale intensiteten lav. Fordi plasmaet motstår optisk skade bedre enn et stykke glass, for eksempel, kan vi tenke oss å bygge en laser som produserer hundrevis eller tusenvis av ganger så mye strøm som en nåværende system uten å gjøre det systemet større.”

LLNL, med 50 års erfaring i utvikling av høyenergilasersystemer, har også vært ledende i lang tid innen design og fabrikasjon av verdens største diffraksjonsgitter, slik som gullristene som brukes til å produsere 500-joule petawatt-pulser på Nova-laseren på 1990-tallet. Enda større gitter vil imidlertid være nødvendig for neste generasjons multi-petawatt og exawatt (1000-petawatt) lasere for å overvinne grensene for maksimal fluens (energi tetthet) pålagt av konvensjonell solid optikk (se “Holografiske plasmalinser for ultra-høyeffektlasere”).

Edwards bemerket at optikk laget av plasma, en blanding av ioner og frie elektroner, er “godt egnet til en laser med relativt høy repetisjonshastighet og høy gjennomsnittlig effekt.” Den nye designen kan for eksempel gjøre det mulig å felte et lasersystem tilsvarende i størrelse som L3 HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) ved ELI Beamlines i Tsjekkia, men med 100 ganger toppeffekten.

Designet og konstruert av LLNL og levert til ELI Beamlines i 2017, ble HAPLS designet for å produsere 30 joule energi i løpet av en 30-femtosekunde (kvadrilliondels sekund) pulsvarighet, som er lik en petawatt, og gjøre det ved 10 Hertz ( 10 pulser per sekund).

“Hvis du forestiller deg å prøve å bygge HAPLS med 100 ganger toppeffekten med samme repetisjonshastighet, er det den typen system hvor dette ville være best egnet,” sa Edwards, nå assisterende professor i maskinteknikk ved Stanford University.

“Risten kan gjenskapes med en veldig høy repetisjonshastighet, så vi tror at 10 Hertz-operasjon er mulig med denne typen design. Den ville imidlertid ikke være egnet for en kontinuerlig bølgelaser med høy gjennomsnittlig effekt.”

Mens plasmaoptikk har blitt brukt med hell i plasmaspeil, sa forskerne, deres bruk for pulskompresjon ved høy effekt har vært begrenset av vanskeligheten med å skape et tilstrekkelig jevnt stort plasma og kompleksiteten til ikke-lineær plasmabølgedynamikk.

“Det har vist seg vanskelig å få plasmaer til å gjøre det du vil at de skal gjøre,” sa Edwards. “Det er vanskelig å gjøre dem tilstrekkelig homogene, å få temperatur- og tetthetsvariasjonene til å være små nok, og så videre.”

“Vi sikter mot et design der den typen inhomogenitet er et så lite problem som mulig for det totale systemet – designet skal være veldig tolerant for ufullkommenheter i plasmaet du bruker.”

Basert på simuleringer ved bruk av partikkel-i-celle (PIC)-koden EPOCH, sa forskerne, “vi forventer at denne tilnærmingen er i stand til å gi en grad av stabilitet som ikke er tilgjengelig med andre plasmabaserte kompresjonsmekanismer, og kan vise seg mer gjennomførbar for bygge i praksis.” Den nye designen “trenger bare gass som det første mediet, er robust mot variasjoner i plasmaforhold og minimerer plasmavolumet for å gjøre tilstrekkelig jevnhet praktisk.”

“Ved å bruke oppnåelige plasmaparametere og unngå faststofftetthet plasma og solid-state optikk, gir denne tilnærmingen en gjennomførbar vei mot neste generasjon høyeffektlaser.”

---

---