Un nuovo studio chiede agli Stati Uniti di intensificare i propri sforzi di ricerca e sviluppo laser per competere meglio con i principali sforzi esteri per costruire grandi, sistemi laser ad alta potenza, e prende atto dei progressi e delle pietre miliari presso il Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center del Dipartimento dell'Energia e altri siti.

Un investimento in questa cosiddetta "seconda rivoluzione laser" promette di aprire una gamma di applicazioni, dalla lavorazione meccanica alla medicina all'accelerazione delle particelle, secondo il rapporto di dicembre delle Accademie Nazionali delle Scienze, Ingegneria, e Medicina, che offre analisi indipendenti alle agenzie governative e ai responsabili politici.

Il rapporto di 280 pagine, "Opportunità nei laser ultraveloci intensi:raggiungere la luce più brillante", raccomanda un maggiore coordinamento e collaborazione da parte di laboratori e agenzie governative, università, e l'industria per costruire strutture e capacità laser negli Stati Uniti.

Raccomanda inoltre che il DOE guidi la creazione di una strategia nazionale per sviluppare e gestire progetti laser su larga scala basati su laboratori nazionali, progetti di media scala che potrebbero essere ospitati presso le università, e un programma di trasferimento tecnologico laser che collega l'industria, accademico, e laboratori nazionali.

Il comitato che ha preparato il rapporto ha visitato il Berkeley Lab e altri laboratori nazionali della California settentrionale, tra cui SLAC National Accelerator Laboratory e Lawrence Livermore National Laboratory. Il comitato ha anche visitato il sito dell'impianto laser Extreme Light Infrastructure Beamlines che è in corso nella Repubblica Ceca, e il Laboratorio di Energetica Laser dell'Università di Rochester a New York.

Al Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE (Berkeley Lab), Gli scienziati di BELLA stanno lavorando per sviluppare tecniche di accelerazione basate su laser che potrebbero portare a acceleratori di particelle più compatti per la fisica delle alte energie e driver per sorgenti luminose ad alta energia; anche, le note del rapporto, "La competenza e l'utilizzo dei laser" che erano stati concentrati in altri laboratori "si stanno ora ampliando con i piani per l'utilizzo dei laser presso (Berkeley Lab)" e altrove.

BELLA ha compiuto progressi nel dimostrare la rapida accelerazione degli elettroni utilizzando stadi separati di accelerazione basata su laser formando e riscaldando plasmi in cui viene creata un'onda potente su cui gli elettroni possono "navigare".

"C'è molto lavoro che è già stato fatto, e Berkeley Lab è stato uno sviluppatore chiave per la visione di dove le cose devono andare, " disse Wim Leemans, direttore del Centro BELLA e della divisione Tecnologia degli acceleratori e fisica applicata del laboratorio.

Il Berkeley Lab è stato sede di un esperimento pionieristico) nel 2004 che ha dimostrato che l'accelerazione del plasma laser può produrre fasci di diffusione di energia relativamente stretti - riportato nel cosiddetto numero "Dream Beam" della rivista Natura - e nel 2006 ha utilizzato una simile tecnica di accelerazione guidata dal laser per accelerare gli elettroni a un'energia allora record di 1 miliardo di elettronvolt, o GeV. Questo risultato è stato seguito nel 2014 da un raggio da 4,2 GeV, utilizzando il nuovo potente laser che è al centro del BELLA Center e sarà la chiave della sua campagna in corso per 10 GeV. Nel 1996, Berkeley Lab ha anche registrato la prima dimostrazione di impulsi di raggi X della durata di appena quadrilionesimi di secondo con una tecnica nota come "scattering Compton inverso, ", nota il rapporto.

K-BELLA:coniugare velocità e potenza

"Quello che l'industria sta vedendo è la spinta verso laser a potenza media più elevata e laser ultraveloci, e sta iniziando ad avere un impatto sulle lavorazioni meccaniche e sulle applicazioni industriali, " ha detto Leemans. "Questa è davvero una buona notizia per noi." In gergo laser, la potenza media si riferisce alla potenza totale che il laser emette nel tempo, contando gli impulsi e il "tempo di spegnimento" tra gli impulsi, mentre la potenza di picco è quella di un singolo impulso.

Una velocità di fuoco rapida di impulsi ad alta potenza fornisce a un laser una potenza media più elevata e può essere potenzialmente applicata a una gamma più ampia di usi. Il rapporto delle National Academies raccomanda alle parti interessate scientifiche degli Stati Uniti di lavorare per definire le specifiche tecniche negli obiettivi di prestazione del laser, come obiettivi per la potenza di picco, frequenza di ripetizione, lunghezza degli impulsi, e la lunghezza d'onda della luce laser.

Nel 2012 il laser del BELLA Center ha stabilito un record fornendo un petawatt (quadrilioni di watt) di potenza racchiusa in impulsi che misuravano 40 quadrilionesimi di secondo e arrivavano a una velocità di uno al secondo.

Un nuovo obiettivo è aumentare questa frequenza cardiaca a 1, 000 al secondo, o un kilohertz, per un aggiornamento di nuova generazione soprannominato K-BELLA. Produzione di pulsazioni fino a 10, 000 o 100, 000 al secondo potrebbe rendere questa macchina rilevante per un nuovo tipo di acceleratore di particelle basato su laser.

"Ci sono molte applicazioni per un laser in stile k-BELLA, " ha affermato Leemans. La visione è che k-BELLA sia una struttura di ricerca collaborativa aperta a scienziati esterni al laboratorio, Egli ha detto, che si sincronizza anche con le raccomandazioni del rapporto per promuovere un ambiente più cooperativo per la scienza e gli scienziati del laser. Forgiare e mantenere le connessioni con altri centri laser di livello mondiale è anche la chiave per il programma laser degli Stati Uniti, le note del rapporto.

Un altro aggiornamento che può essere utile al programma laser degli Stati Uniti è l'aggiunta di una seconda linea di luce a BELLA, ha detto Leeman. Una seconda linea di luce potrebbe consentire collisioni esotiche tra un raggio di luce e un raggio di elettroni, o tra due fasci di luce.

Fasci di elementi luminosi prodotti al laser, e fasci di elettroni a bassa energia prodotti da laser, potrebbe anche essere perseguito a BELLA per sviluppare la base biomedica per nuovi tipi di trattamenti medici che colpiscano meglio i tumori, Per esempio. "Non vediamo l'ora di migliorare le nostre capacità laser al Berkeley Lab mentre lavoriamo con i nostri partner per rafforzare gli sforzi di ricerca e sviluppo laser della nazione, " ha detto James Symons, direttore associato del laboratorio per le scienze fisiche. "I laser di potenza media più elevata saranno essenziali per tutte le applicazioni pratiche degli acceleratori laser al plasma".