近日，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的伯克利實(shí)驗(yàn)室激光加速器(BELLA)中心開(kāi)發(fā)并測(cè)試了新的光學(xué)系統(tǒng)，能夠以前所未有的精度精確測(cè)量和控制高功率激光束的位置和指向角度，并且在此過(guò)程中不會(huì)中斷或干擾光束。

激光應(yīng)用是“差之毫厘，謬以千里”最好的體現(xiàn)，對(duì)精度有著嚴(yán)格的高要求。幾微米的目標(biāo)偏差或者千分之一的角度偏移都會(huì)使問(wèn)題復(fù)雜化，帶來(lái)噪音等巨大的影響。加州大學(xué)伯克利分校的博士生以及論文第一作者Fumika Isono正是基于這一認(rèn)知， 同BELLA中心副主任和另一科學(xué)家在BELLA中心的一臺(tái)TW級(jí)激光器中進(jìn)行了一項(xiàng)新穎的激光穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)。

伯克利實(shí)驗(yàn)室博士生Fumika Isono(中)、BELLA中心副主任Jeroen van Tilborg(右)和科學(xué)家Sam Barber在BELLA中心的一臺(tái)TW級(jí)激光器中進(jìn)行了一項(xiàng)新穎的激光穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)。圖片由瑪麗蓮·薩金特/伯克利實(shí)驗(yàn)室(Marilyn Sargent/Berkeley Lab)提供。

創(chuàng)新之處：

過(guò)去為了在不干擾光束的前提下精確測(cè)量參數(shù)，要么通過(guò)攔截光束的脈沖而極大地消耗光束的功率，要么則以精確度的缺失為代價(jià)。與此不同的是，BELLA中心開(kāi)發(fā)的方法通過(guò)分離和監(jiān)控主光束的低功率精確副本實(shí)現(xiàn)目的，該副本來(lái)自于光束線中特殊設(shè)計(jì)的最終光學(xué)器件的后表面反射。

該激光架構(gòu)具有三個(gè)關(guān)鍵屬性：首先，它每秒能同時(shí)提供遵循相同路徑的五個(gè)高功率脈沖和一千個(gè)低功率脈沖；其次，它優(yōu)化了光束線從而使高功率和低功率脈沖在大小和發(fā)散度上相互匹配。再者，這種方法創(chuàng)新地使用楔形反射鏡取代了其中一個(gè)光束反射鏡，該反射鏡的前后表面都有特殊涂層(Isono在論文中稱之為“雙面涂層”)，幾乎所有的主光束都在光學(xué)器件的前表面被反射，而不會(huì)受到明顯的影響。其中一小部分稱為“光束見(jiàn)證者”，約占輸入功率的1%，接著被后表面反射。它們幾乎與主光束平行，其間隔剛好足以方便放置測(cè)量?jī)x器。據(jù)Isono解釋?zhuān)�這在不干擾主激光束的同時(shí)準(zhǔn)確反映光束信息，可將此作為反饋系統(tǒng)的一部分，用于自主穩(wěn)定激光器的橫向位置和指向角度。根據(jù)研究，通過(guò)主動(dòng)穩(wěn)定低功率1千赫激光脈沖序列，可以消除高功率5赫茲激光的振動(dòng)，預(yù)計(jì)可將高功率激光脈沖傳輸?shù)奈恢煤徒嵌忍岣呶灞丁?/p>

高功率之能：

激光等離子體粒子加速器(LPAs)的發(fā)展是BELLA中心的主要任務(wù)，LPA產(chǎn)生超高電場(chǎng)，可以非�？焖俚亟o帶電粒子“加速度”，使下一代更緊湊、更經(jīng)濟(jì)的加速器成為可能，用于各應(yīng)用。由于低功率放大器在一個(gè)薄的中空管或“毛細(xì)管”內(nèi)進(jìn)行加速，它們將大大受益于對(duì)驅(qū)動(dòng)激光束位置和指向角度的改進(jìn)控制。貝拉中心的一個(gè)直接應(yīng)用是使用LPA為自由電子激光器(FEL)提供電子束，自由電子激光器是一種產(chǎn)生比可見(jiàn)光能量高得多、波長(zhǎng)短得多的明亮光子脈沖的設(shè)備。“波動(dòng)器是自由電子激光的核心磁陣列，對(duì)電子束的接受度有非常嚴(yán)格的要求，這直接關(guān)系到LPA驅(qū)動(dòng)激光的指向角度和橫向波動(dòng)，”Isono說(shuō)。下一代激光系統(tǒng)（研究人員稱kBELLA）會(huì)結(jié)合高功率和千赫重復(fù)率，創(chuàng)造其他的應(yīng)用前景。“這項(xiàng)工作不僅限于激光等離子體加速，”BELLA中心主任Eric Esarey說(shuō)，“它解決了整個(gè)高功率激光器領(lǐng)域的一個(gè)特定需求，即證明高功率脈沖的相關(guān)低功率副本沒(méi)有顯著干擾。在任何需要將高功率激光束以一定精度傳送到任何應(yīng)用的地方，這一結(jié)論都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。可以暢想一下激光粒子碰撞實(shí)驗(yàn)，或者激光與毛細(xì)管或液滴等微米精度目標(biāo)的相互作用。” 

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