Il Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy ha sviluppato e testato un sistema ottico innovativo per misurare e controllare con precisione la posizione e l'angolo di puntamento dei raggi laser ad alta potenza con una precisione senza precedenti— senza interrompere o disturbare i raggi. Il nuovo sistema aiuterà gli utenti di tutte le scienze a ottenere il massimo dai laser ad alta potenza.

Lo sforzo di convalida sperimentale è stato guidato dal dottorando Fumika Isono di Berkeley Lab e UC Berkeley. Le sue scoperte sono descritte in un articolo pubblicato di recente dalla rivista Cambridge University Press, Scienza e ingegneria dei laser ad alta potenza.

"Si tratta di un enorme progresso nella misurazione e nel controllo che andrà a beneficio delle strutture laser ad alta potenza in tutto il mondo, "ha detto Cameron Geddes, Direttore della divisione Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) del Berkeley Lab, di cui fa parte il Centro BELLA.

Misura senza disturbi

La gente pensa che un laser sia così preciso da passare nel linguaggio come metafora, ma gli utenti con applicazioni impegnative sanno che i raggi laser si muovono su una scala minuscola in risposta alle vibrazioni e alla variabilità anche dell'ambiente di laboratorio più controllato.

"Mancare l'obiettivo di appena pochi micron può fare la differenza tra una scienza straordinaria e un'aggiunta indesiderata al rumore di fondo, " disse Isone.

Anche gli offset dell'angolo di puntamento inferiori a un millesimo di grado possono causare complessità indesiderate. È qui che entrano in gioco i sensori diagnostici e i sistemi di feedback.

Misurare questi parametri con precisione e senza intercettare il raggio è il trucco. I metodi tradizionali o indeboliscono notevolmente la potenza del raggio intercettando i suoi impulsi (che in ogni caso è difficile per intensi, raggi ad alta potenza) o subiscono imprecisioni perché non misurano il raggio esattamente come consegnato. L'approccio innovativo del Centro BELLA prevede la suddivisione e il monitoraggio di una copia esatta a bassa potenza del raggio abbagliante, riflesso dalla superficie posteriore di un'ottica finale appositamente progettata nella linea del raggio.

Il cuore di questo nuovo approccio è un'architettura laser con tre attributi chiave. Primo, fornisce contemporaneamente cinque impulsi ad alta potenza e mille impulsi a bassa potenza al secondo, tutti seguendo lo stesso percorso. Secondo, il design della linea di luce è ottimizzato per mantenere gli impulsi ad alta e bassa potenza abbinati in termini di dimensioni e divergenza. Finalmente, sostituisce uno degli specchietti riflettenti della linea di fascio con un innovativo riflettore a forma di cuneo che presenta rivestimenti speciali sia sulla superficie anteriore che su quella posteriore.

Quasi tutto il raggio principale viene riflesso dalla superficie anteriore dell'ottica senza essere influenzato in modo evidente. Una piccola parte del raggio, che rappresenta forse l'1% della potenza in ingresso, si propaga attraverso la superficie anteriore e si riflette sulla superficie posteriore. Questo "raggio testimone" passa attraverso eventuali ottiche successive quasi parallelamente al raggio principale, con una deviazione appena sufficiente per un facile posizionamento degli strumenti di misura. Il risultato finale è un fascio testimone con angolo di puntamento e posizione trasversale altamente correlati a quelli del fascio principale.

Il risultato, disse Isono, è "una misura che non interferisce con il raggio laser principale, eppure ce lo racconta in modo molto accurato."

Vantaggi per il BELLA Center e non solo

Un obiettivo nel prossimo futuro è utilizzare questa diagnostica come parte di un sistema di feedback per la stabilizzazione attiva della posizione trasversale del laser e dell'angolo di puntamento. Gli studi preliminari con il laser da 100 terawatt presso il BELLA Center sono stati promettenti. Il manoscritto delinea la prospettiva di rimuovere i jitter sul laser ad alta potenza a 5 Hz stabilizzando attivamente il treno di impulsi laser a bassa potenza a 1 kHz. È stato osservato che la vibrazione e il movimento del raggio laser si verificano su una scala di poche decine di hertz, che rientra ampiamente nella portata di un pratico sistema di feedback. È previsto un miglioramento di cinque volte nella posizione e nell'angolo dell'erogazione di impulsi laser ad alta potenza.

Lo sviluppo di acceleratori di particelle laser-plasma (LPA), che è la missione primaria del Centro BELLA, esemplifica il potenziale vantaggio di questa innovazione. Gli LPA producono campi elettrici ultraelevati che accelerano molto rapidamente le particelle cariche, offrendo così la promessa di una prossima generazione di più compatti, acceleratori più convenienti per un'ampia varietà di applicazioni. Poiché gli LPA eseguono la loro accelerazione all'interno di un sottile tubo cavo, o "capillare, " trarrebbero grande vantaggio da un migliore controllo della posizione del raggio laser di azionamento e dell'angolo di puntamento.

Un'applicazione immediata presso il Centro BELLA è l'uso di un acceleratore al plasma azionato dal laser (LPA) per fornire fasci di elettroni per un laser a elettroni liberi (FEL), un dispositivo che produce impulsi di fotoni luminosi a un'energia molto più elevata e a una lunghezza d'onda più corta rispetto a luce visibile.

"L'ondulatore, l'array magnetico al centro del FEL, ha requisiti molto severi sull'accettazione del fascio di elettroni, che si riferisce direttamente all'angolo di puntamento del laser dell'unità LPA e alle fluttuazioni trasversali, " disse Isone.

La proposta kBELLA, un sistema laser di nuova generazione che combinerà un'elevata potenza con un tasso di ripetizione di kilohertz, sarà un'altra probabile applicazione.

Si prevede l'interesse dei laboratori laser di tutto il mondo. "Questo lavoro non si limita all'accelerazione laser-plasma, " ha affermato Eric Esarey, direttore del centro BELLA. "Risponde a un'esigenza specifica in tutta la comunità dei laser ad alta potenza, vale a dire, dimostrando una copia correlata a bassa potenza dell'impulso ad alta potenza senza interferenze significative. Ovunque un raggio laser ad alta potenza deve essere consegnato con una certa precisione a qualsiasi applicazione, questa diagnostica farà una grande differenza. Pensa agli esperimenti di collisione tra particelle laser, o interazioni laser con obiettivi di precisione micron come capillari o goccioline".