I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno progettato un laser compatto multipetawatt che utilizza reticoli di trasmissione del plasma per superare i limiti di potenza dei reticoli ottici convenzionali a stato solido. Il progetto potrebbe consentire la costruzione di un laser ultraveloce fino a 1.000 volte più potente dei laser esistenti delle stesse dimensioni.

I laser Petawatt (quadrillion-watt) si basano su reticoli di diffrazione per l'amplificazione dell'impulso chirped (CPA), una tecnica per allungare, amplificare e quindi comprimere un impulso laser ad alta energia per evitare di danneggiare i componenti ottici. CPA, che ha vinto un Premio Nobel per la fisica nel 2018, è al centro della capacità radiografica avanzata della National Ignition Facility, nonché del predecessore di NIF, il Nova Laser, il primo laser petawatt al mondo.

Con una soglia di danno di diversi ordini di grandezza superiore ai reticoli a riflessione convenzionali, i reticoli al plasma "ci consentono di fornire molta più potenza per reti della stessa dimensione", ha affermato Matthew Edwards, ex post-dottorato LLNL, coautore di una Physical Review Applied documento che descrive il nuovo design pubblicato online il 9 agosto. Nel documento si è unito a Edwards il leader del gruppo Laser-Plasma Interactions Pierre Michel.

"L'ottica di focalizzazione del vetro per potenti laser deve essere grande per evitare danni", ha affermato Edwards. "L'energia del laser viene distribuita per mantenere bassa l'intensità locale. Poiché il plasma resiste ai danni ottici meglio di un pezzo di vetro, ad esempio, possiamo immaginare di costruire un laser che produce centinaia o migliaia di volte la potenza di un sistema attuale senza rendendo quel sistema più grande."

LLNL, con 50 anni di esperienza nello sviluppo di sistemi laser ad alta energia, è anche un leader di lunga data nella progettazione e fabbricazione dei più grandi reticoli di diffrazione del mondo, come i reticoli d'oro utilizzati per produrre impulsi petawatt da 500 joule sul laser Nova negli anni '90. Reticoli ancora più grandi, tuttavia, sarebbero necessari per i laser multi-petawatt ed exawatt (1.000-petawatt) di prossima generazione per superare i limiti sulla massima fluenza (densità di energia) imposti dall'ottica solida convenzionale (vedi "Olographic Plasma Lenses for Ultra-High-High -Laser di potenza").

Edwards ha osservato che l'ottica fatta di plasma, una miscela di ioni ed elettroni liberi, "si adatta bene a un laser con velocità di ripetizione relativamente alta e potenza media elevata". Il nuovo design potrebbe, ad esempio, consentire di mettere in campo un sistema laser di dimensioni simili all'HAPLS L3 (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) presso ELI Beamlines nella Repubblica Ceca, ma con una potenza di picco 100 volte superiore.

Progettato e costruito da LLNL e consegnato a ELI Beamlines nel 2017, HAPLS è stato progettato per produrre 30 joule di energia in una durata di impulso di 30 femtosecondi (quadrilionesimo di secondo), che equivale a un petawatt, e farlo a 10 Hertz ( 10 impulsi al secondo).

"Se immagini di provare a costruire HAPLS con 100 volte la potenza di picco alla stessa frequenza di ripetizione, questo è il tipo di sistema in cui sarebbe più adatto", ha affermato Edwards, ora assistente professore di ingegneria meccanica alla Stanford University.

"The grating can be remade at a very high repetition rate, so we think that 10 Hertz operation is possible with this type of design. However, it would not be suitable for a high-average-power continuous-wave laser."

While plasma optics have been used successfully in plasma mirrors, the researchers said, their use for pulse compression at high power has been limited by the difficulty of creating a sufficiently uniform large plasma and the complexity of nonlinear plasma wave dynamics.

"It has proven difficult to get plasmas to do what you want them to do," Edwards said. "It's difficult to make them sufficiently homogenous, to get the temperature and density variations to be small enough, and so on."

"We're aiming for a design where that kind of inhomogeneity is as small a problem as possible for the overall system—the design should be very tolerant to imperfections in the plasma that you use."

Based on simulations using the particle-in-cell (PIC) code EPOCH, the researchers said, "we expect that this approach is capable of providing a degree of stability not accessible with other plasma-based compression mechanisms, and may prove more feasible to build in practice." The new design "needs only gas as the initial medium, is robust to variations in plasma conditions, and minimizes the plasma volume to make sufficient uniformity practical."

"By using achievable plasma parameters and avoiding solid-density plasma and solid-state optics, this approach offers a feasible path toward the next generation of high-power laser." + Esplora ulteriormente

Researchers design holographic lenses based on plasma