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據(jù)外媒報道，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的伯克利實驗室激光加速器(BELLA)中心已經(jīng)開發(fā)并測試了一個創(chuàng)新的光學系統(tǒng)，以新的精度精確測量和控制高功率激光束的位置和指向角度--而不會中斷或干擾激光束。這個新系統(tǒng)將幫助整個科學界的用戶盡可能地利用高功率激光器。
這項實驗驗證工作由伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的博士生Fumika Isono領導。她的研究結果在劍橋大學出版社期刊《高功率激光科學與工程》近期發(fā)表的一篇論文中有所描述。
伯克利實驗室加速器技術和應用物理部(ATAP)主任Cameron Geddes說：“這是測量和控制方面的一個巨大進步，將使全世界的高功率激光設施受益。”BELLA中心是該部門的一部分。
無干擾的測量
一些有苛刻應用要求的用戶知道，激光束在極小的范圍內(nèi)移動，以響應即使是很受控的實驗室環(huán)境的振動和變化性。Isono說：“錯過目標只要幾微米，就可以使驚人的科學和背景噪音的不必要的補充之間產(chǎn)生差異。”微小的指向性偏移也會導致不必要的復雜情況。這就是診斷傳感器和反饋系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。
在不攔截光束的情況下準確地測量這些參數(shù)是關鍵所在。傳統(tǒng)的方法要么是通過攔截光束的脈沖來大大降低光束的功率(這對于高強度、高功率的光束來說是很困難的)，要么是由于沒有準確地測量所傳遞的光束而出現(xiàn)誤差。BELLA中心的創(chuàng)新方法包括分割和監(jiān)測主光束的低功率精確副本，該副本從光束線中一個特別設計的最終光學元件的后表面反射出來。
這種新方法的核心是一個具有三個關鍵屬性的激光架構。首先，它每秒同時提供五個高功率脈沖和一千個低功率脈沖，所有這些脈沖都遵循相同的路徑。其次，光束線的設計經(jīng)過優(yōu)化，使高功率脈沖和低功率脈沖的大小和發(fā)散度相匹配。最后，它用一個創(chuàng)新的楔形反射鏡取代了其中一個反射光束線鏡，該反射鏡的前表面和后表面都有特殊涂層。
幾乎所有的主光束都從光學元件的前表面反射出來，而不會受到其他明顯的影響。一小部分光束(可能占輸入功率的1%)通過前表面?zhèn)鞑ゲ暮蟊砻娣瓷涑鋈ァ＿@個"見證光束"幾乎與主光束平行地通過任何后續(xù)的光學器件，并有足夠的分流以方便測量儀器的放置。最終的結果是，見證光束的指向角度和橫向位置與主光束高度相關。
Isono說，其結果是“一個不會干擾主激光束的測量，但又非常準確地告訴我們它的情況”。
對BELLA中心和其他地方的好處
研究人員一個近期的目標是將這種診斷方法作為反饋系統(tǒng)的一部分，用于主動穩(wěn)定激光的橫向位置和指向角度。在BELLA中心用100terawatt的激光器進行的初步研究是有希望的。該手稿闡述了通過主動穩(wěn)定低功率1kHz的激光脈沖序列來消除高功率5Hz激光器的抖動的前景。觀察到激光束的振動和運動發(fā)生在幾十赫茲的規(guī)模上，這完全在實用反饋系統(tǒng)的范圍內(nèi)。預計高功率激光脈沖傳輸?shù)奈恢煤徒嵌葧形灞兜母纳啤?br />
激光等離子體粒子加速器(LPAs)的開發(fā)是BELLA中心的主要任務，它體現(xiàn)了這種創(chuàng)新的潛在好處。LPAs產(chǎn)生超高的電場，可以非常迅速地加速帶電粒子，從而為下一代更緊湊、更實惠的加速器提供了希望，可用于各種應用。由于LPA是在一個薄的空心管或“毛細管”內(nèi)進行加速，它們將大大受益于對驅(qū)動激光束位置和指向角度的改進控制。
BELLA中心的一個直接應用是使用激光驅(qū)動的等離子體加速器為自由電子激光器(FEL)提供電子束--該設備可產(chǎn)生比可見光能量高得多、波長短得多的明亮光子脈沖。
Isono說：“波蕩器，即位于FEL核心的磁陣，對電子束的接受有非常嚴格的要求，這直接關系到LPA驅(qū)動激光的指向角度和橫向波動。”
擬議中的kBELLA是下一代激光系統(tǒng)，它將結合高功率和千赫茲重復率，將是另一個可能的應用。“這項工作并不局限于激光等離子體加速，”BELLA中心主任Eric Esarey說。“它解決了整個高功率激光界的一個具體需求，即證明高功率脈沖的相關低功率拷貝，而沒有明顯的干擾。在任何需要將高功率激光束以一定的精度傳遞到任何應用的地方，這個診斷器都會帶來很大的變化。想想激光粒子碰撞實驗，或激光與微米級精度目標的相互作用。”
(原標題：科學家開發(fā)新光學系統(tǒng) 是實現(xiàn)空前精確的高功率激光器光束控制的關鍵)
浙公網(wǎng)安備 33010602000006號
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