Uncategorized · December 7, 2021

ไฟเบอร์เลเซอร์พร้อมที่จะพัฒนาเครื่องเร่งเลเซอร์พลาสมาที่ใช้งานได้จริงในห้องปฏิบัติการ

Fiber Lasers Poised to Advance Berkeley Lab's Development of Practical Laser-Plasma Accelerators
นักวิทยาศาสตร์จาก Berkeley Lab Tong Zhou ทำการทดลองผสมไฟเบอร์เลเซอร์ ความท้าทายจากหลายสถาบันอย่างต่อเนื่องในการผสมผสานเอาท์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์แบบเร็วเป็นจังหวะแต่มีกำลังต่ำ อาจเป็นเรื่องลึกลับที่จะมีทั้งกำลังที่เท่ากันและอัตราการทำซ้ำจำนวนมาก ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในมาตรการที่กำลังจะมีขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคด้วยเลเซอร์-พลาสม่า อันดับเครดิต: Marilyn Sargent/Berkeley Lab

ขั้นตอนต่อไปในความก้าวหน้าของเครื่องเร่งอนุภาคด้วยเลเซอร์พลาสมา (LPA)—อาจจับคู่-การปรับเปลี่ยนแอปพลิเคชันสำหรับการสำรวจและการใช้งานอย่างง่าย—กำลังดำเนินการอยู่ที่ Lawrence Berkeley Countrywide ของ Division of Energy ห้องปฏิบัติการ (Berkeley Lab). กลวิธีใหม่สำหรับเลเซอร์กำลังไฟฟ้าจำนวนมาก ซึ่งรวมพัลส์จากเลเซอร์ใยแก้วนำแสงที่รวดเร็ว-มีประสิทธิภาพแต่ลดลง- จำนวนมาก—จะกระตุ้นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดมหึมา-ขนาดมหึมาเหล่านี้

นักวิจัยของ Berkeley Lab ให้ความสำคัญกับขีดจำกัดของความพยายามในการพัฒนา LPA และคิดว่าพวกเขาได้พบเส้นทางใหม่ด้วยเลเซอร์ใยแก้วนำแสง

Cameron Geddes ผู้อำนวยการฝ่าย Accelerator Technological Know-how และ Utilized Physics (ATAP) ของ Berkeley Lab อ้างว่า “ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีล่าสุดทั้งหมดในไฟเบอร์เลเซอร์และ เลเซอร์- คันเร่ง เป็นเวลาจริงๆ ที่จะรวมเข้าด้วยกัน—เพื่อพัฒนายุคต่อมาของตัวเร่งความเร็วที่กะทัดรัดและควบคุมได้อย่างแม่นยำ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย.”

LPAs: เจียมเนื้อเจียมตัวคือ ใหม่ขนาดใหญ่ LPAs ซึ่ง Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Middle อยู่ระหว่างผู้นำ เป็นกลยุทธ์ที่กะทัดรัดอย่างยิ่งต่อการเร่งอนุภาค ซึ่งน่าสังเกตสำหรับ รวบรวมพลังงานของอนุภาคในหน่วยเซนติเมตรซึ่งต้องใช้หลายสิบเมตรกับระบบทั่วไป.

เครื่องเร่งความเร็วปกติใช้ไมโครเวฟในจังหวะ โพรงโลหะเพื่อให้พลังงานสูงแก่ลำอนุภาคของอะตอม นวัตกรรมทางเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่นี้ ซึ่งอาจใช้รูปแบบกลมหรือเชิงเส้นได้หลายแบบ จะทำให้เครื่องมือเร่งความเร็วกลไกที่มีประสิทธิภาพสูงในการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ นอกเหนือไปจากแอปต่างๆ ที่ใช้งานได้จริงในด้านยา การแปรรูปทางอุตสาหกรรม และความปลอดภัยทั่วประเทศ อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่มีนัยสำคัญและมีราคาแพง.

LPA ให้วิธีการทดแทนในการเร่งและเสริมกำลัง พลังงานของอนุภาค แทนที่จะใช้ไมโครเวฟ ลำแสงเลเซอร์น้ำหนักเบาแบบเข้มข้นที่ยิงด้วยเชื้อเพลิงจะสร้างคลื่นพลาสม่าที่อัดประจุ สามารถสัมผัสได้เหมือนนักท่อง

ขยายขนาดอย่างรุนแรง น้อยกว่าปัจจุบัน-วันทำการหมายถึงการใช้พลังงานลำแสงเดียวกันสำเร็จ LPA จะน่าสนใจในหลาย ๆ แอป ตั้งแต่วิธีการรักษาทางชีวการแพทย์ไปจนถึงศูนย์วิเคราะห์อิเล็กตรอน-เลเซอร์ที่ปราศจากการแพร่ขยาย ไปจนถึงการไม่แพร่ขยายของนิวเคลียร์ ในระยะยาว พวกมันอาจเป็นพื้นฐานสำหรับยุคใหม่ของการชนกัน ลำดับความสำคัญที่เล็กกว่าในปัจจุบัน สำหรับพลังมหาศาล-

LPAs ได้รับการพิสูจน์อย่างมีประสิทธิผล (ศูนย์เบลล่ายังคงรักษาสถิติไว้ มีอิเล็กตรอนเร่งให้มีกำลังไฟฟ้า 7.8 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ในเวลาเพียง 20 ซม.) แต่พวกเขาต้องการพลังงานเลเซอร์สูง เลเซอร์อย่าง BELLA Petawatt ทำให้เอาต์พุตใกล้เคียงกับเอาต์พุตทั้งหมดของกริดไฟฟ้าของโลกสำหรับชั่วขณะชั่วขณะอย่างพิเศษ โดยจะรวมความเข้มข้นเป็นพัลส์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ ในทางกลับกัน มันสามารถรวบรวมชีพจรได้ทุกๆ 2 วินาทีเท่านั้น แอพที่มีประโยชน์จะต้องส่งกำลังไฟฟ้าเลเซอร์จำนวนมากในพัลส์ปกติที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งเป็นที่ที่โครงการไฟเบอร์เลเซอร์ใหม่มาถึง


การรวมลำแสงเลเซอร์เพื่อให้ดูเหมือนลำแสงเดียวอย่างแท้จริงนั้นยาก. แนวทางที่กำลังจะเกิดขึ้นในปัจจุบันโดยความท้าทายที่เพิ่งเริ่มต้น นำโดย Zhou นักวิทยาศาสตร์จากแผนก ATAP ของ Berkeley Lab และได้รับการสนับสนุนในส่วนนี้โดย Gordon และ Betty Moore Basis จะสร้างจากงานปัจจุบันเกี่ยวกับการผสมผสานเชิงพื้นที่อย่างสมบูรณ์เช่น การขยายสัญญาณในเส้นใยเจือ การรวมลำแสงสเปกตรัม (ปัญหาของรางวัลการสมัคร Early Profession Investigation Application อันทรงเกียรติของ Zhou จาก Division of Energy’s Workplace of Significant Strength Physics) และการเรียงซ้อนชั่วขณะเป็นปัจจัยต่อเนื่องอื่น ๆ ของความพยายามโดยรวมและการทำงานอย่างหนักเพื่อสร้างกิโลเฮิรตซ์พลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก ลำแสงจากไฟเบอร์เลเซอร์ ประวัติเครดิต: Russell Wilcox, Tong Zhou, Almantas Galvanauskas, Cameron Geddes

การทำงานเป็นทีมด้วยเลเซอร์หมายถึงพัลส์ที่มีประสิทธิภาพ

ไฟเบอร์เลเซอร์ (ส่วนใหญ่ใช้ใยแก้วนำแสงที่มีลักษณะคล้าย ผู้ที่คุ้นเคยกับการสื่อสารโทรคมนาคมและเครือข่ายแล็ปท็อป แต่สร้างขึ้นเพื่อการปล่อยเลเซอร์ที่ดีที่สุด) นั้นรวดเร็ว แต่มีขนาดกะทัดรัด ใยแก้วนำแสงทุกเส้นมีช่องทางไม่กว้างไปกว่าเส้นผมมนุษย์ และสามารถปล่อยพลังงานได้มากเท่านั้น ความท้าทายที่กำลังดำเนินอยู่ในขณะนี้—สร้างจากรากฐานหลายปีที่ Berkeley Lab, University of Michigan และ Lawrence Livermore Countrywide Laboratory—จะสร้างแผนชื่อ “การรวมลำแสงที่สอดคล้องกัน” มากขึ้น เป้าหมายมีพลังมากพอที่จะเดินทางด้วย LPA แต่ส่งเป็นพันครั้งต่อวินาที.

ความท้าทายใหม่ นำโดย Tong Zhou นักวิจัยจาก Berkeley Lab พนักงานของ Berkeley Lab ที่ทำงานเกี่ยวกับความก้าวหน้าของไฟเบอร์เลเซอร์ยังเกี่ยวข้องกับ Russell Wilcox, Qiang Du, Thorsten Stezelberger และ Jeroen van Tilborg Almantas Galvanauskas และลูกศิษย์ของเขาที่ College of Michigan และ Leily Kiani ที่ Lawrence Livermore National Laboratory ยังมีบทบาทสำคัญในโครงการ.

ความพยายามอย่างรอบด้านซึ่งต่อยอดจากการพัฒนาเป็นเวลาหลายปีอย่างต่อเนื่อง จะเกี่ยวข้องกับการรวมเชิงพื้นที่ เวลา และสเปกตรัมในลักษณะที่คง “ความเชื่อมโยง” (ลำแสงเลเซอร์คุณภาพสูงพิเศษเฉพาะ ซึ่งจำเป็นสำหรับ LPA) มันมีจุดมุ่งหมายเพื่อรวมพัลส์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานค่อนข้างน้อยที่สุดจากเส้นใยจำนวนมากให้เป็นพัลส์ขยาย 30-50 femtosecond, 200 มิลลิจูลที่มีพลังงานสูงสุดดีกว่าหนึ่งเทราวัตต์โดยเฉพาะมาก นี่จะเป็นพลังงานไฟฟ้าสูงสุดและกำลังไฟฟ้าสูงสุดเมื่อใดก็ได้จากไฟเบอร์เลเซอร์ และมากเกินเพียงพอสำหรับการสาธิตการเร่งด้วยเลเซอร์พลาสม่า

“การใช้พลังงานของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป และความสามารถในการกระจายความร้อนนั้นยอดเยี่ยมมาก จัดการกับปัญหาอื่นๆ ในการตั้งค่า- เลเซอร์พลังงานสูง” โจวกล่าว.

วัตถุประสงค์ระยะยาว – ระยะคือ


collider สำหรับฟิสิกส์ไฟฟ้าจำนวนมาก ด้วยเหตุผลของคนเหล่านั้น LPA จะต้องมีความแข็งแรงของเลเซอร์เมื่อได้รับ 10 จูลในพัลส์ขนาดเล็ก (แต่ละ 30 ถึง 100 femtoseconds) โดยจะมีประจุซ้ำมากกว่า 10,000 พัลส์ในแต่ละวินาที—ข้อมูลจำเพาะที่มากกว่าและสูงกว่าเลเซอร์ปัจจุบันอย่างมีนัยสำคัญ เทคโนโลยี. ไฟเบอร์เลเซอร์เป็นตัวเลือกที่ดีในการแก้ปัญหานี้ และในขณะเดียวกันก็อาจเพิ่มพลังให้กับแอปสปินออฟจำนวนมากของ LPA

พลังงานไม่ใช่ปัจจัยสำคัญเพียงอย่างเดียวในระบบที่ต้องส่งลำแสงที่เรียวยาวเข้าไปในเส้นเลือดฝอยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน ซึ่งใหญ่กว่านั้นมากเพียงชั่วครู่ การวัดผลและความคิดเห็นที่มีชีวิตชีวาสำหรับการควบคุมลักษณะเฉพาะนี้อย่างแม่นยำ เนื่องจากมุมและตำแหน่งชี้เป็นเป้าหมายของการทำงานเสริมที่ศูนย์เบลล่า ความเข้าใจของเครื่องจักรเพิ่มขึ้นในฐานะวิธีการควบคุมที่สำคัญ.

“เราต้องการไม่เพียงแต่สร้างกระบวนการเลเซอร์ที่กำหนด เอกสารเกี่ยวกับไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า แต่ยังควบคุมเงื่อนไข-of-the-art แล้วจึงใช้มันเพื่อทำความเข้าใจความสามารถ-ปกติ-ขนาดใหญ่ครั้งแรก-ราคาซ้ำซาก- เครื่องเร่งความเร็วที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ในโลกทั้งใบ” Geddes ระบุ.

กระบวนการดังกล่าว เชื่อมโยงเกินขีด



คำอ้างอิง: ไฟเบอร์เลเซอร์พร้อมสำหรับความก้าวหน้าของการพัฒนาเครื่องเร่งเลเซอร์-พลาสม่าที่เหมาะสมของห้องปฏิบัติการ (2021, 6 ธันวาคม) ดึงข้อมูลเมื่อ 7 ธันวาคม พ.ศ. 2564 จาก https ://phys.org/information/2021-12-fiber-lasers-poised-progress-lab.html

ศึกษาเพิ่มเติม