Fumika Isono, estudiante de doctorado de Berkeley Lab (centro), Jeroen van Tilborg, director adjunto del Centro BELLA (derecha), y el científico investigador Sam Barber establecieron un nuevo experimento de estabilización láser en uno de los láseres de clase 100 TW del Centro BELLA. Crédito:Marilyn Sargent / Berkeley Lab
El Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center en el Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Departamento de Energía ha desarrollado y probado un sistema óptico innovador para medir y controlar con precisión la posición y el ángulo de puntería de los rayos láser de alta potencia con una precisión sin precedentes. sin interrumpir ni perturbar los haces. El nuevo sistema ayudará a los usuarios de todas las ciencias 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 publicado recientemente por la revista Cambridge University Press, Ciencia e Ingeniería de Láser de Alta Potencia.
"Este es un avance tremendo en la medición y el control que beneficiará a las instalaciones de láser de alta potencia en todo el mundo, "dijo Cameron Geddes, Director de la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada (ATAP) de Berkeley Lab, del cual el Centro BELLA forma parte.
Medición sin perturbaciones
La gente piensa que un láser es tan preciso que pasa al lenguaje como metáfora, pero los usuarios con aplicaciones exigentes saben que los rayos láser se mueven a una escala diminuta en respuesta a las vibraciones y la variabilidad incluso del entorno de laboratorio más controlado.
"Perder el objetivo por tan solo unas pocas micras puede marcar la diferencia entre una ciencia asombrosa y una adición no deseada al ruido de fondo, "dijo Isono.
Las desviaciones del ángulo de apuntar de menos de una milésima de grado también pueden resultar en complejidades no deseadas. Ahí es donde entran en juego los sensores de diagnóstico y los sistemas de retroalimentación.
Medir estos parámetros con precisión y sin interceptar el haz es el truco. Los métodos tradicionales minan en gran medida la potencia del rayo interceptando sus pulsos (que en cualquier caso es difícil para los intensos, haces de alta potencia) o sufren imprecisiones porque no miden el haz exactamente como se entrega. El enfoque innovador del Centro BELLA implica dividir y monitorear una copia exacta de baja potencia de la luz principal, reflejada desde la superficie trasera de una óptica final especialmente diseñada en la línea del haz.
El corazón de este nuevo enfoque es una arquitectura láser con tres atributos clave. Primero, Proporciona simultáneamente cinco pulsos de alta potencia y mil pulsos de baja potencia por segundo, todos siguiendo el mismo camino. Segundo, el diseño de la línea de luz está optimizado para mantener los pulsos de alta y baja potencia con el mismo tamaño y divergencia. Finalmente, Reemplaza uno de los espejos de línea de haz reflectante por un innovador reflector en forma de cuña que tiene revestimientos especiales tanto en la superficie frontal como en la trasera.
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 acuñada para reflejar un rayo testigo de baja potencia. Ambos rayos reflejados se enfocan a casi 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 haz principal se refleja en la superficie frontal de la óptica sin que se vea afectado de otra manera notablemente. Un poquito del rayo representando quizás el 1% de la potencia de entrada, se propaga a través de la superficie delantera y se refleja en la superficie trasera. Este "rayo testigo" atraviesa cualquier óptica posterior casi en paralelo al rayo principal, con el desvío suficiente para una fácil colocación de los instrumentos de medición. El resultado final es un haz testigo con un ángulo de puntería y una posición transversal altamente correlacionados con los del haz principal.
El resultado, dijo Isono, es "una medida que no interferirá con el rayo láser principal, sin embargo, nos lo dice con mucha precisión ".
Beneficios para el Centro BELLA y más allá
Un objetivo en el futuro cercano es utilizar este diagnóstico como parte de un sistema de retroalimentación para la estabilización activa de la posición transversal y el ángulo de apuntamiento del láser. Los estudios preliminares con el láser de 100 teravatios en el Centro BELLA han sido prometedores. El manuscrito presenta la posibilidad de eliminar las fluctuaciones en el láser de 5 Hz de alta potencia mediante la estabilización activa del tren de pulsos de láser de 1 kHz de baja potencia. Se observó que la vibración y el movimiento del rayo láser se producían en una escala de unas pocas decenas de hercios, que está dentro del alcance de un sistema de retroalimentación práctico. Se espera una mejora de cinco veces en la posición y el ángulo de entrega del pulso láser de alta potencia.
El desarrollo de aceleradores de partículas láser-plasma (LPA), que es la misión principal del Centro BELLA, ejemplifica el beneficio potencial de esta innovación. Los LPA producen campos eléctricos ultra altos que aceleran las partículas cargadas muy rápidamente, ofreciendo así la promesa de una próxima generación de más compactos, aceleradores más asequibles para una amplia variedad de aplicaciones. Dado 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 accionamiento y del ángulo de puntería.
Una aplicación inmediata en el Centro BELLA es el uso de un acelerador de plasma impulsado por láser (LPA) para proporcionar haces de electrones para un láser de electrones libres (FEL), un dispositivo que produce pulsos de fotones brillantes a una energía mucho más alta y una longitud de onda más corta que luz visible.
"El ondulador, la matriz magnética en el corazón del FEL, tiene requisitos muy estrictos sobre la aceptación del haz de electrones, que se relaciona directamente con el ángulo de puntería del láser de la unidad LPA y las fluctuaciones transversales, "dijo Isono.
La kBELLA propuesta, un sistema láser de próxima generación que combinará alta potencia con una tasa de repetición de kilohercios, será otra aplicación probable.
Se anticipa 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 Esarey." Aborda una necesidad específica en toda la comunidad de láser de alta potencia, a saber, demostrando una copia correlacionada de baja potencia del pulso de alta potencia sin interferencia significativa. En cualquier lugar donde sea necesario entregar un rayo láser de alta potencia con cierta precisión para cualquier aplicación, este diagnóstico marcará una gran diferencia. Piense en los experimentos de colisión de partículas láser, o interacciones láser con objetivos de precisión micrométrica, como capilares o gotitas ".
