據(jù)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(xué)系統(tǒng)，能夠以超高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(xué)界的用戶最大限度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(xué)伯克利分校的博士生Fumika Isono領(lǐng)導(dǎo)。她的研究結(jié)果在劍橋大學(xué)出版社期刊《高功率激光科學(xué)與工程》最近發(fā)表的一篇論文中有所描述。

伯克利實驗室加速器技術(shù)和應(yīng)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(shè)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(yīng)用要求的用戶知道，激光束在極小的范圍內(nèi)移動，以響應(yīng)即使是最受控的實驗室環(huán)境的振動和變化性。Isono說：“錯過目標(biāo)只要幾微米，就可以使驚人的科學(xué)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(dǎo)致不必要的復(fù)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(zhǔn)確地測量這些參數(shù)是關(guān)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(zhǔn)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(shè)計的最終光學(xué)元件的后表面反射出來。

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這種新方法的核心是一個具有三個關(guān)鍵屬性的激光架構(gòu)。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(shè)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(xué)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�從后表面反射出去。這個"見證光束"幾乎與主光束平行地通過任何后續(xù)的光學(xué)器件，并有足夠的分流以方便測量儀器的放置。最終的結(jié)果是，見證光束的指向角度和橫向位置與主光束高度相關(guān)。

Isono說，其結(jié)果是 “一個不會干擾主激光束的測量，但又非常準(zhǔn)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(biāo)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100 terawatt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1 kHz的激光脈沖序列來消除高功率5 Hz 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(yù)計高功率激光脈沖傳輸?shù)奈恢煤徒嵌葧�有五倍的改善�?/p>

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(wù)，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(yīng)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(yīng)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(shè)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(guān)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(jié)合高功率和千赫茲重復(fù)率，將是另一個可能的應(yīng)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(guān)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(yīng)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(biāo)的相互作用。”

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