Super lāzeriem kā unikālam enerģijas avotam ir galvenā loma daudzos aspektos, piemēram, zinātniskajā pētniecībā, rūpniecībā un medicīnā. Lai iegūtu augstas intensitātes lāzera impulsus, stari parasti saplūst ar ļoti mazu izmēru telpā, un pēc saplūdes tie ātri atšķirsies difrakcijas efektu dēļ. Tomēr tādās jomās kā lāzera veiklauka paātrinājums lāzeri ir nepieciešami, lai saglabātu augstu gaismas intensitāti ievērojamā attālumā. Pētījums, ko vadīja Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas (LBNL) zinātniece Marlēna Tērnere, attiecas arī uz šo jomu.
Lāzera veiklauka paātrinājumā superjaudas lāzers tiek izmantots, lai uzbudinātu elektrostatiskos viļņus plazmā, un lādētās daļiņas var paātrināt elektrostatiskajos viļņos, līdzīgi kā sērfot jūrā. Šāda veida akseleratora īpašā iezīme ir tā, ka paātrinājuma attālums, kas nepieciešams uzlādētām daļiņām, lai iegūtu noteiktu enerģijas daudzumu, ir tūkstošiem reižu īsāks nekā tradicionālajām paātrinājuma metodēm. Tomēr, ja lāzera stars netiek vadīts, tas izkliedēsies drīz pēc fokusa, ievērojami samazinot lāzera impulsa intensitāti un paātrinājuma attālumu, kas var vadīt augstas intensitātes modināšanas lauku. Tāpēc paātrinājuma attāluma saīsināšana izraisīs daļiņu nesaņemšanu no vislabākās paātrinājuma enerģijas.
Zemas intensitātes impulsiem difrakcijas risinājums ir optiskās šķiedras stikls, kas var vadīt lāzera staru tūkstošiem kilometru, bet augstas intensitātes lāzeri var sabojāt optisko šķiedru. Rakstā otrajā lieljaudas lāzerzinātnes un inženierzinātņu 2021. gada numurā profesore Marlēna Tērnere un citi pētīja plazmas šķiedru, ko izmanto superjaudas lāzeriem. Plazma var samazināt difrakcijas efektu un vadīt lāzera staru, lai pagarinātu augstas intensitātes pārraides attālumu. . Pētnieku grupa uzrādīja līdz šim garāko 40 cm augstas kvalitātes izlādes kapilāru.
Kā plazmas viļņvads vada lāzeru? Objektīvs vai optiskā šķiedra var novirzīt lāzera gaismu caur spēcīgāko refrakcijas indeksa sadalījumu centrā. Plazmai to panāk ar zemāko elektronu blīvuma sadalījumu centrā. Pakāpeniski palielinot elektronu blīvuma sadalījumu radiālajā virzienā, pakāpeniski palielinās refrakcijas indekss radiālajā virzienā, kas ir kā superjaudas lēca vai lāzera caurule lieljaudas lāzeriem.
Kā šādu plazmu var radīt? Līdz šim ir ieviestas vairākas tehnoloģijas. Šajā dokumentā pētnieki izmantoja ar gāzi pildītu safīra kapilāru cauruli ar elektrodiem, kas savienoti ar abiem galiem. Plazma rodas augstsprieguma izlādes rezultātā. Izlādes strāva silda plazmu un atdzesē to pie caurules sienas, padarot temperatūru tuvāk caurules sienai zemāku. Tā kā gaisa spiediens ir līdzsvarots, elektronu blīvums no centra līdz galiem pakāpeniski palielinās, kā rezultātā lāzera stara vadīšanai rodas super spēcīga viļņvadide.
Atšķirībā no statiskās stikla lēcas vai optiskās šķiedras plazmoniskais viļņvads tiek atjaunots katru impulsu. Tāpēc pētnieki detalizēti pētīja katras izplūdes parametru izmaiņas un parādīja lielisku stabilitāti un atkārtojamību. Tas ir ļoti svarīgi paātrinošajam staram ar vairāku parametru izmaiņām lāzera veiklauka paātrinājumā. Pētnieki atklāja, ka viļņugīdu parametru maiņa dažādos izlādes procesos ir mazāka par 1%, un blīvuma sadalījums katrā kanālā ir ļoti tuvu. Tas nozīmē, ka katrs lāzera impulss ceļos vienādi pa to pašu ceļu viļņvadā.
"Šis darbs parāda, ka kapilārā caurule var radīt ļoti stabilu plazmu, kas norāda, ka paātrinātāja izpildījumā novērotās svārstības galvenokārt ir saistītas ar lāzera piedziņas svārstībām, un stabilitātes nodrošināšanai ir nepieciešama ļoti tūlītēja lāzera atgriezeniskās saites kontrole." Kalifornijas LBNL akseleratora tehnoloģija Dr. Cameron Geddes, Lietišķās fizikas departamenta direktors, sniedza iepriekš minētos komentārus par šo darbu.
Precīza stikla lēcas formas kontrole nosaka optisko veiktspēju, bet tas ir izaicinājums kontrolēt plazmu tādā pašā līmenī. Ideālā gadījumā elektronu blīvuma sadalījums ir parabolisks, bet patiesībā tas vairs nav parabola tālu no kanāla ass. Pētnieki atklāja, ka tas ir ļoti svarīgi plazmā kā teleskopa sistēma, lai palielinātu staru fokusa vietu. Ar ļoti precīzu kontroli pētnieki šajā dokumentā izmanto parabolisko plazmu, kas izplatās pie lāzera fokusa vietas, lai vadītu lāzeru, lai staru kūļa izplatīšanās laikā gaismas kvalitāte nesamazinātos. Izlādes kapilārais viļņvads ir ieguvis augstas enerģijas elektronus lāzera veiklauka paātrinātājā. Paredzams, ka pētniecības grupas izstrādātais 40 cm garais viļņvads nospiedīs robež enerģiju augstākā līmenī.
