Kao jedinstveni izvor energije, super laseri igraju ključnu ulogu u mnogim aspektima, poput znanstvenih istraživanja, industrije i medicine. Kako bi se dobili laserski impulsi visokog intenziteta, zrake se općenito konvergiraju na vrlo male veličine u prostoru, a nakon konvergencije brzo će se razići zbog difrakcijskih učinaka. Međutim, u područjima kao što je lasersko ubrzanje wakefield polja, laseri su potrebni za održavanje visokog intenziteta svjetla na značajnoj udaljenosti. Studija koju je vodila Marlene Turner, znanstvenica iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley (LBNL), proteže se i na ovo područje.
U ubrzanju laserskog wakefield polja, supermoćni laser koristi se za pobuđivanje elektrostatičkih valova u plazmi, a nabijene čestice mogu se ubrzati u elektrostatičkim valovima, slično surfanju po moru. Posebnost ove vrste akceleratora je ta što je udaljenost ubrzanja potrebna nabijenim česticama da dobiju određenu količinu energije tisuće puta kraća od one tradicionalnih metoda ubrzanja. Međutim, ako se laserski snop ne usmjeri, raspršit će se ubrzo nakon izoštravanja, uvelike smanjujući intenzitet laserskog impulsa i udaljenost ubrzanja koja može pokrenuti budno polje visokog intenziteta. Stoga će skraćivanje udaljenosti ubrzanja uzrokovati da čestice ne dobiju najbolju energiju ubrzanja.
Za impulse niskog intenziteta rješenje za difrakciju je staklo od optičkih vlakana, koje može voditi laserski snop tisućama kilometara, ali laseri visokog intenziteta mogu oštetiti optičko vlakno. U članku u drugom broju časopisa Laser Science and Engineering Laser High Power 2021, profesorica Marlene Turner i drugi proučavali su plazma vlakna koja se koriste za lasere sa snažnim pogonom. Plazma može smanjiti učinak difrakcije i usmjeriti laserski snop kako bi povećala udaljenost prijenosa visokog intenziteta. . Istraživački tim pokazao je najdužu kapilaru pražnjenja visoke kvalitete od 40 cm do sada.
Kako plazma valovod vodi laser? Leća ili optičko vlakno mogu odbiti lasersko svjetlo kroz najjaču distribuciju indeksa loma u središtu. Za plazmu se to postiže najnižom raspodjelom elektronske gustoće u središtu. Postupno povećanje raspodjele gustoće elektrona u radijalnom smjeru dovodi do postupnog povećanja indeksa loma u radijalnom smjeru, što je poput supermoćne leće ili laserske cijevi za lasere velike snage.
Kako se može stvoriti takva plazma? Do sada su implementirane brojne tehnologije. U ovom su radu istraživači upotrijebili kapilarnu cijev od safira ispunjenu plinom s elektrodama spojenim na oba kraja. Plazma nastaje visokonaponskim pražnjenjem. Struja pražnjenja zagrijava plazmu i hladi je u blizini stijenke cijevi, čineći temperaturu bliže stijenci cijevi nižom. Budući da je zračni tlak uravnotežen, gustoća elektrona od središta do krajeva postupno se povećava, što rezultira super jakim valovodom za vođenje laserskog snopa.
Za razliku od statičke staklene leće ili optičkog vlakna, plazmonski valovod se ponovno uspostavlja pri svakom impulsu. Stoga su istraživači detaljno proučavali promjene parametara svakog pražnjenja te pokazali izvrsnu stabilnost i ponovljivost. To je vrlo važno za ubrzavajući snop s višeparametarskim promjenama u ubrzanju laserskog budnog polja. Istraživači su otkrili da je promjena parametara valovoda u različitim procesima pražnjenja manja od 1%, a raspodjela gustoće u svakom kanalu vrlo je blizu. To znači da će svaki laserski impuls putovati na isti način duž iste putanje u valovodu.
& "Ovaj rad pokazuje da kapilarna cijev može generirati vrlo stabilnu plazmu, što ukazuje da su fluktuacije uočene u performansama akceleratora uglavnom posljedice fluktuacija laserskog pogona, te je potrebna vrlo trenutna kontrola laserske povratne sprege kako bi se osiguralo stabilnost." Kalifornijska tehnologija ubrzanja LBNL -a dr. Cameron Geddes, direktor Odjela primijenjene fizike, dao je gore navedene komentare na ovaj rad.
Precizna kontrola oblika staklene leće određuje optičke performanse, ali izazov je kontrolirati plazmu na istoj razini. Idealno, raspodjela elektronske gustoće je parabolična, ali zapravo više nije parabola daleko od osi kanala. Istraživači su otkrili da je to vrlo važno u plazmi kao teleskopskom sustavu za povećanje žarišne točke zraka. Vrlo preciznom kontrolom, istraživači u ovom radu koriste paraboličnu plazmu raspoređenu u blizini žarišne točke lasera za usmjeravanje lasera, tako da se kvaliteta snopa neće smanjiti tijekom širenja snopa. Kapilarni valovod s pražnjenjem dobio je visokoenergetske elektrone u laserskom ubrzivaču wakefield polja. Očekuje se da će valovod dug 40 cm koji je razvio istraživački tim podići graničnu energiju na višu razinu.
