Um novo estudo pede que os EUA intensifiquem seus esforços de P&D a laser para competir melhor com os principais esforços estrangeiros para construir grandes, sistemas de laser de alta potência, e observa o progresso e os marcos do Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center do Departamento de Energia e outros locais.

Um investimento nesta chamada "segunda revolução do laser" promete abrir uma gama de aplicações, da usinagem à medicina e à aceleração de partículas, de acordo com o relatório de dezembro da National Academies of Sciences, Engenharia, e medicina, que oferece uma análise independente para agências governamentais e formuladores de políticas.

O relatório de 280 páginas, "Oportunidades em lasers ultrarrápidos intensos:Alcançando a luz mais brilhante", recomenda maior coordenação e colaboração por laboratórios e agências governamentais, universidades, e a indústria para construir instalações e capacidades de laser nos EUA.

Também recomenda que o DOE lidere a criação de uma estratégia nacional para desenvolver e operar projetos de laser baseados em laboratórios nacionais em larga escala, projetos de médio porte que poderiam potencialmente ser hospedados em universidades, e um programa de transferência de tecnologia a laser conectando a indústria, academia, e laboratórios nacionais.

O comitê que preparou o relatório visitou o Berkeley Lab e outros laboratórios nacionais do norte da Califórnia, incluindo SLAC National Accelerator Laboratory e Lawrence Livermore National Laboratory. O comitê também visitou o local da instalação de laser Extreme Light Infrastructure Beamlines que está em andamento na República Tcheca, e o Laboratório de Laser Energética da Universidade de Rochester, em Nova York.

No Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab), Os cientistas da BELLA estão trabalhando para desenvolver técnicas de aceleração baseadas em laser que podem levar a aceleradores de partículas mais compactas para física de alta energia e drivers para fontes de luz de alta energia; tb, as notas do relatório, "experiência e utilização de laser" que haviam se concentrado em outros laboratórios "agora estão se ampliando com planos de utilização de lasers no (Berkeley Lab)" e em outros lugares.

BELLA fez progressos na demonstração da rápida aceleração dos elétrons usando estágios separados de aceleração baseada em laser, formando e aquecendo plasmas nos quais uma onda poderosa é criada para os elétrons "surfarem".

"Há muito trabalho que já foi feito, e o Berkeley Lab tem sido um desenvolvedor chave para a visão de onde as coisas precisam ir, "disse Wim Leemans, diretor do Centro BELLA e da Divisão de Tecnologia de Aceleração e Física Aplicada do Laboratório.

O Berkeley Lab foi o lar de um experimento pioneiro) em 2004, que mostrou que a aceleração de plasma a laser pode produzir feixes de energia relativamente estreitos - relatado na chamada edição "Dream Beam" do jornal Natureza - e em 2006 usou uma técnica de aceleração semelhante a laser para acelerar os elétrons a uma energia recorde de 1 bilhão de elétron-volts, ou GeV. Essa conquista foi seguida em 2014 por um feixe de 4,2 GeV, usando o novo e poderoso laser que está no coração do BELLA Center e será a chave para sua campanha contínua de 10 GeV. Em 1996, O Berkeley Lab também registrou a primeira demonstração de pulsos de raios-X com duração de apenas quatrilionésimos de segundo com uma técnica conhecida como "espalhamento Compton inverso, "as notas do relatório.

K-BELLA:combinando velocidade e potência

"O que a indústria está vendo é o impulso em direção a lasers de alta potência média e ultrarrápidos, e está começando a impactar a usinagem e as aplicações industriais, "Leemans disse." Isso é realmente uma boa notícia para nós. "No jargão do laser, a potência média se relaciona com a quantidade de potência total que o laser produz ao longo do tempo, contando os pulsos e o "tempo desligado" entre os pulsos, enquanto a potência de pico é de um pulso individual.

Uma taxa de disparo rápida de pulsos de alta potência dá ao laser uma potência média mais alta e pode ser potencialmente aplicada a uma gama mais ampla de usos. O relatório da National Academies recomenda que as partes interessadas científicas dos EUA trabalhem para definir as especificações técnicas nas metas de desempenho do laser, como alvos para potência de pico, taxa de repetição, comprimento de pulsos, e o comprimento de onda da luz laser.

Em 2012, o laser do Centro BELLA estabeleceu um recorde ao fornecer um petawatt (quatrilhão de watts) de potência em pulsos que mediam 40 quatrilionésimos de segundo de comprimento e chegavam a uma taxa de um por segundo.

Uma nova meta é aumentar essa taxa de pulso para 1, 000 por segundo, ou um quilohertz, para uma atualização de próxima geração apelidada de K-BELLA. Produzindo taxas de pulso de até 10, 000 ou 100, 000 por segundo pode tornar esta máquina relevante para um novo tipo de acelerador de partículas baseado em laser.

"Existem muitas aplicações para um laser estilo k-BELLA, "Leemans disse. A visão é que o k-BELLA seja uma instalação de pesquisa colaborativa que seria aberta a cientistas de fora do laboratório, ele disse, que também está de acordo com as recomendações do relatório para promover um ambiente mais cooperativo para cientistas e cientistas do laser. Forjar e manter conexões com outros centros de laser de classe mundial também é fundamental para o programa de laser dos EUA, as notas do relatório.

Outra atualização que pode ser útil para o programa de laser dos EUA é a adição de uma segunda linha de luz na BELLA, Leemans disse. Uma segunda linha de luz poderia permitir colisões exóticas entre um feixe de luz e um feixe de elétrons, ou entre dois feixes de luz.

Feixes de elementos de luz produzidos a laser, e feixes de elétrons de baixa energia produzidos a laser, também poderia ser buscado na BELLA para desenvolver a base biomédica para novos tipos de tratamentos médicos que visam melhor os cânceres, por exemplo. "Esperamos aprimorar nossas próprias capacidades de laser no Berkeley Lab enquanto trabalhamos com nossos parceiros para fortalecer os esforços de P&D de laser do país, "disse James Symons, diretor de laboratório associado para ciências físicas. "Lasers de potência média mais alta serão essenciais para todas as aplicações práticas de aceleradores de plasma a laser."