La innovación óptica puede calmar la tensión del láser de alta potencia

La estudiante de doctorado de Berkeley Lab Fumika Isono (centro), el subdirector del Bella Center Jeron van Tilburg (derecha) y el científico investigador Sam Barber establecieron un nuevo experimento de instalación de láser en uno de los láseres de 100 TW del Centro BELLA. Crédito: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

El Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía ha desarrollado y probado un sistema óptico innovador para medir, ajustar y controlar el ángulo de orientación de láseres de alta potencia con una precisión sin precedentes, sin interrumpir o vigas perturbadoras. El nuevo sistema ayudará a los usuarios de todos los campos de la ciencia a aprovechar al máximo los láseres de alta potencia.


El esfuerzo de validación experimental fue dirigido por la candidata a doctorado Fumika Isono de Berkeley Lab y UC Berkeley. Sus hallazgos se describen en un artículo de investigación publicado recientemente en la revista Cambridge University Press, High Power Laser Science and Engineering.

“Este es un gran avance en la medición y el control que beneficiará a la alta energía láser Cameron Geddes, director de la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada (ATAP) en Berkeley Lab, del cual el Bella Center es parte.

Medición sin perturbaciones

La gente piensa que los láseres son tan precisos que pasan al lenguaje como una metáfora, pero los usuarios con aplicaciones exigentes saben que los láseres se mueven a pequeña escala en respuesta a vibraciones y variabilidad incluso en el entorno de laboratorio más controlado.

«La pérdida de un objetivo por unas pocas micras puede marcar la diferencia entre una ciencia asombrosa y una adición no deseada al ruido de fondo», dijo Isono.

Las compensaciones del ángulo de apuntar de menos de una milésima de grado también pueden provocar complicaciones no deseadas. Aquí es donde entran en juego los sensores de diagnóstico y los sistemas de retroalimentación.

Medir estos parámetros con precisión y sin interceptación del haz es el truco. Los métodos convencionales agotan significativamente la potencia del rayo al interceptar sus pulsos (lo que no es en absoluto difícil para los rayos intensos de alta energía) o adolecen de imprecisiones porque no miden el rayo exactamente como fue entregado. El enfoque innovador del Centro BELLA implica separar y monitorear una versión precisa y de baja potencia de la viga principal, reflejada desde la superficie trasera de una óptica definitiva diseñada a medida en la línea de luz.

El núcleo de este nuevo enfoque es la ingeniería láser con tres características principales. Primero, proporciona simultáneamente cinco pulsos de alta energía y mil pulsos de baja energía por segundo, todos los cuales siguen el mismo camino. En segundo lugar, el diseño de la línea de luz se ha optimizado para mantener los pulsos de alta y baja energía idénticos en tamaño y espaciado. Finalmente, uno de los espejos reflectantes de línea de haz se reemplaza por un innovador reflector en forma de cuña que tiene un revestimiento especial en las superficies delantera y trasera.

La innovación óptica puede calmar la tensión del láser de alta potencia

En el corazón de la innovación de Berkeley Lab se encuentra una óptica en forma de cuña con una superficie frontal reflectante del 99% para la luz principal y una superficie trasera montada para reflejar un haz de baja potencia. Ambos haces reflejados se colocan en foco aproximadamente a la misma distancia a lo largo de trayectorias casi idénticas, por lo que el haz testigo experimenta los mismos movimientos que el haz principal. Crédito: Berkeley Lab

Casi todo el rayo principal se refleja desde la superficie anterior del ojo óptico sin verse afectado de forma notable. Una porción insignificante del haz, quizás el 1% de la energía de entrada, se propaga a través de la superficie frontal y se refleja en la superficie posterior. Este «rayo testigo» pasa a través de cualquier óptica posterior aproximadamente en paralelo al rayo principal, con suficiente desviación para colocar fácilmente los instrumentos de medición. El resultado final es un haz testigo con ángulo de dirección y posición transversal estrechamente relacionados con el del haz principal.

El resultado, dijo Isono, es «una medida que no interfiere con el rayo láser principal, pero que nos informa con precisión al respecto».

Ventajas de BELLA Center y más allá

El objetivo en un futuro próximo es utilizar este diagnóstico como parte del sistema de retroalimentación para la estabilización activa de la posición transversal del láser y el ángulo de guía. Los estudios iniciales que utilizan un láser de 100 teravatios en BELLA han sido prometedores. El manuscrito cuantifica el potencial de desestresarse en un láser de 5 Hz de alta energía mediante la estabilización activa de un tren de pulsos de láser de baja energía de 1 kHz. La vibración y el movimiento del rayo láser se observan en una escala de unas pocas decenas de Hz, que está dentro del rango de un sistema de retroalimentación práctico. Se espera una mejora de cinco veces en la posición y el ángulo de conducción del pulso láser de alta potencia.

El desarrollo de aceleradores de partículas de plasma láser (LPA), una misión central del Centro BELLA, ejemplifica los beneficios potenciales de esta innovación. Los LPA producen campos eléctricos muy altos que aceleran las partículas cargadas muy rápidamente, ofreciendo así la promesa de una nueva generación de aceleradores más compactos y asequibles para una variedad de aplicaciones. Debido a que los LPA realizan su aceleración dentro de un tubo hueco delgado, o «capilar», se beneficiarían enormemente de un mejor control de la posición del rayo láser de conducción y del ángulo de orientación.

Una de las aplicaciones inmediatas en el Centro BELLA es el uso de un acelerador de plasma impulsado por láser (LPA) para enviar haces de electrones a un láser de electrones libres (FEL), un dispositivo que produce pulsos de fotones brillantes de mucha mayor energía y menor longitud de onda. que la luz visible.

“La corrugación, la matriz magnética en el núcleo del FEL, tiene requisitos muy estrictos con respecto a la aceptabilidad del haz de electrones, que está directamente relacionada con el ángulo de puntería del láser de impulsión LPA y las fluctuaciones transversales”, dijo Isono.

El kBELLA propuesto, un sistema láser de próxima generación que combinará alta potencia y una tasa de repetición de kilohercios, será otra aplicación potencial.

Se espera el interés de los laboratorios de láser de todo el mundo. “Este trabajo no se limita a la aceleración de plasma láser”, dijo el director del Centro BELLA, Eric Isari. «Satisface una necesidad específica en toda la comunidad de láser de alta potencia, es decir, demostrar una versión coherente y de baja potencia de un pulso de alta energía sin interferencias significativas. En cualquier lugar, un rayo láser de alta potencia debe entregarse con cierta precisión para cualquier aplicación, este diagnóstico marcará una gran diferencia. Piense en experimentos de colisión de partículas láser o interacciones láser con objetivos de micrones-micrones como capilares o gotitas «.


Un nuevo método para medir la grabación por haz de electrones


más información:
Fumika Isono et al, Diagnóstico de láseres no perturbados de alta potencia en el foco final de pulsos láser de clase 100 TW, Ciencia e ingeniería de láser de alta potencia (2021). DOI: 10.1017 / hpl.2021.12.2

La frase: La innovación óptica puede calmar las tensiones de los láser de alta potencia (2021, 27 de julio). Recuperado el 27 de julio de 2021 de https://phys.org/news/2021-07-optical-calm-jitters-high-power-lasers. Html

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