O Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center do Lawrence Berkeley National Laboratory do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveu e testou um sistema óptico inovador para medir e controlar com precisão a posição e o ângulo de apontamento de feixes de laser de alta potência com uma precisão sem precedentes— sem interromper ou perturbar os feixes. O novo sistema ajudará os usuários em todas as ciências a obter o máximo dos lasers de alta potência.

O esforço de validação experimental foi liderado pela candidata a doutorado Fumika Isono do Berkeley Lab e UC Berkeley. Suas descobertas são descritas em um artigo publicado recentemente pelo jornal Cambridge University Press, Ciência e Engenharia de Laser de Alta Potência.

"Este é um grande avanço em medição e controle que beneficiará as instalações de laser de alta potência em todo o mundo, "disse Cameron Geddes, Diretor da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab, do qual o Centro BELLA faz parte.

Medição sem perturbação

As pessoas pensam que um laser é tão preciso que passa para a linguagem como uma metáfora, mas os usuários com aplicações exigentes sabem que os feixes de laser se movem em uma escala minúscula em resposta às vibrações e variabilidade até mesmo do ambiente de laboratório mais controlado.

"Errar o alvo por apenas alguns mícrons pode fazer a diferença entre a ciência incrível e uma adição indesejada de ruído de fundo, "disse Isono.

Apontar desvios de ângulos de menos de um milésimo de grau também pode resultar em complexidades indesejadas. É aí que os sensores de diagnóstico e os sistemas de feedback entram em ação.

Medir esses parâmetros com precisão e sem interceptar o feixe é o truque. Os métodos tradicionais drenam muito o poder do feixe ao interceptar seus pulsos (o que de qualquer forma é difícil para os intensos, feixes de alta potência) ou sofrem imprecisões porque não estão medindo o feixe exatamente como entregue. A abordagem inovadora do BELLA Center envolve dividir e monitorar uma cópia exata de baixa potência do feixe principal, refletido da superfície traseira de uma ótica final especialmente projetada na linha de feixe.

O coração dessa nova abordagem é uma arquitetura de laser com três atributos principais. Primeiro, ele fornece simultaneamente cinco pulsos de alta potência e mil pulsos de baixa potência por segundo, todos seguindo o mesmo caminho. Segundo, o projeto da linha de luz é otimizado para manter os pulsos de alta e baixa potência combinados em tamanho e divergência. Finalmente, ele substitui um dos espelhos de linha de feixe reflexivo por um inovador refletor em forma de cunha que possui revestimentos especiais nas superfícies frontal e traseira.

Quase todo o feixe principal é refletido na superfície frontal da óptica sem ser afetado de outra forma. Um pouquinho do feixe, representando talvez 1% da potência de entrada, se propaga pela superfície frontal e é refletido na superfície traseira. Este "feixe testemunha" passa por qualquer ótica subsequente quase em paralelo ao feixe principal, com desvio apenas o suficiente para fácil colocação de instrumentos de medição. O resultado final é um feixe de prova com ângulo de apontamento e posição transversal altamente correlacionada com os do feixe principal.

O resultado, disse Isono, é "uma medição que não interfere com o feixe de laser principal, ainda assim, nos fala com muita precisão sobre isso. "

Benefícios para o Centro BELLA e além

Uma meta para um futuro próximo é usar este diagnóstico como parte de um sistema de feedback para estabilização ativa da posição transversal e do ângulo de apontamento do laser. Estudos preliminares com o laser de 100 terawatts no BELLA Center têm sido promissores. O manuscrito expõe a perspectiva de remover os tremores no laser de alta potência de 5 Hz ao estabilizar ativamente o trem de pulso de laser de baixa potência de 1 kHz. Observou-se que a vibração e o movimento do feixe de laser ocorrem em uma escala de algumas dezenas de hertz, que está bem dentro do alcance de um sistema de feedback prático. Espera-se uma melhora quíntupla na posição e no ângulo de entrega de pulso de laser de alta potência.

O desenvolvimento de aceleradores de partículas de plasma a laser (LPAs), que é a principal missão do Centro BELLA, exemplifica o benefício potencial desta inovação. LPAs produzem campos elétricos ultra-altos que aceleram partículas carregadas muito rapidamente, oferecendo assim a promessa de uma próxima geração de produtos mais compactos, aceleradores mais acessíveis para uma ampla variedade de aplicações. Uma vez que os LPAs realizam sua aceleração dentro de um tubo fino e oco, ou "capilar, "eles se beneficiariam muito com o controle aprimorado da posição do feixe de laser e do ângulo de apontamento.

Uma aplicação imediata no Centro BELLA é o uso de um acelerador de plasma acionado por laser (LPA) para fornecer feixes de elétrons para um laser de elétrons livres (FEL) - um dispositivo que produz pulsos de fótons brilhantes em uma energia muito mais alta e comprimento de onda mais curto do que luz visível.

"O ondulador, a matriz magnética no coração do FEL, tem requisitos muito rígidos sobre a aceitação do feixe de elétrons, que se relaciona diretamente com o ângulo de apontamento do laser do LPA e as flutuações transversais, "disse Isono.

O kBELLA proposto, um sistema de laser de última geração que combinará alta potência com uma taxa de repetição de quilohertz, será outra aplicação provável.

O interesse de laboratórios de laser em todo o mundo é antecipado. “Este trabalho não se limita à aceleração de plasma a laser, "disse o diretor do BELLA Center, Eric Esarey." Ele atende a uma necessidade específica em toda a comunidade de laser de alta potência, nomeadamente, provando uma cópia correlacionada de baixa potência do pulso de alta potência sem interferência significativa. Em qualquer lugar, um feixe de laser de alta potência precisa ser entregue com alguma precisão para qualquer aplicação, esse diagnóstico vai fazer uma grande diferença. Pense em experimentos de colisão de partículas de laser, ou interações de laser com alvos de precisão de mícron, como capilares ou gotículas. "