美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的伯克利實驗室激光加速器中心已經(jīng)開發(fā)并測試了一個創(chuàng)新的光學(xué)系統(tǒng)，以前所未有的精度精確測量和控制高功率激光束的位置和指向角度--而不會中斷或干擾激光束。這個新系統(tǒng)將幫助整個科學(xué)界的用戶最大限度地利用高功率激光器。

這項實驗驗證工作由伯克利實驗室和加州大學(xué)伯克利分校的博士生Fumika Isono領(lǐng)導(dǎo)。她的研究結(jié)果在劍橋大學(xué)出版社期刊《高功率激光科學(xué)與工程》最近發(fā)表的一篇論文中有所描述。 

伯克利實驗室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理部（ATAP）主任Cameron Geddes說：“這是測量和控制方面的一個巨大進(jìn)步，將使全世界的高功率激光設(shè)施受益。”BELLA中心是該部門的一部分。

無干擾的測量

一些有苛刻應(yīng)用要求的用戶知道，激光束在極小的范圍內(nèi)移動，以響應(yīng)即使是最受控的實驗室環(huán)境的振動和變化性。Isono說：“錯過目標(biāo)只要幾微米，就可以使驚人的科學(xué)和背景噪音的不必要的補充之間產(chǎn)生差異�！蔽⑿〉闹赶蛐云�移也會導(dǎo)致不必要的復(fù)雜情況。這就是診斷傳感器和反饋系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。

在不攔截光束的情況下準(zhǔn)確地測量這些參數(shù)是關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的方法要么是通過攔截光束的脈沖來大大降低光束的功率（這對于高強(qiáng)度、高功率的光束來說是很困難的），要么是由于沒有準(zhǔn)確地測量所傳遞的光束而出現(xiàn)誤差。BELLA中心的創(chuàng)新方法包括分割和監(jiān)測主光束的低功率精確副本，該副本從光束線中一個特別設(shè)計的最終光學(xué)元件的后表面反射出來。

這種新方法的核心是一個具有三個關(guān)鍵屬性的激光架構(gòu)。首先，它每秒同時提供五個高功率脈沖和一千個低功率脈沖，所有這些脈沖都遵循相同的路徑。其次，光束線的設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，使高功率脈沖和低功率脈沖的大小和發(fā)散度相匹配。最后，它用一個創(chuàng)新的楔形反射鏡取代了其中一個反射光束線鏡，該反射鏡的前表面和后表面都有特殊涂層。

幾乎所有的主光束都從光學(xué)元件的前表面反射出來，而不會受到其他明顯的影響。一小部分光束（可能占輸入功率的1%）通過前表面?zhèn)鞑ゲ�從后表面反射出去。這個"見證光束"幾乎與主光束平行地通過任何后續(xù)的光學(xué)器件，并有足夠的分流以方便測量儀器的放置。最終的結(jié)果是，見證光束的指向角度和橫向位置與主光束高度相關(guān)。

Isono說，其結(jié)果是 “一個不會干擾主激光束的測量，但又非常準(zhǔn)確地告訴我們它的情況”。

對BELLA中心和其他地方的好處

研究人員一個近期的目標(biāo)是將這種診斷方法作為反饋系統(tǒng)的一部分，用于主動穩(wěn)定激光的橫向位置和指向角度。在BELLA中心用100 terawatt的激光器進(jìn)行的初步研究是有希望的。該手稿闡述了通過主動穩(wěn)定低功率1 kHz的激光脈沖序列來消除高功率5 Hz 激光器的抖動的前景。 觀察到激光束的振動和運動發(fā)生在幾十赫茲的規(guī)模上，這完全在實用反饋系統(tǒng)的范圍內(nèi)。預(yù)計高功率激光脈沖傳輸?shù)奈恢煤徒嵌葧�有五倍的改善�?/p>

激光等離子體粒子加速器（LPAs）的開發(fā)是BELLA中心的主要任務(wù)，它體現(xiàn)了這種創(chuàng)新的潛在好處。LPAs產(chǎn)生超高的電場，可以非常迅速地加速帶電粒子，從而為下一代更緊湊、更實惠的加速器提供了希望，可用于各種應(yīng)用。由于LPA是在一個薄的空心管或“毛細(xì)管”內(nèi)進(jìn)行加速，它們將大大受益于對驅(qū)動激光束位置和指向角度的改進(jìn)控制。

BELLA中心的一個直接應(yīng)用是使用激光驅(qū)動的等離子體加速器為自由電子激光器（FEL）提供電子束--該設(shè)備可產(chǎn)生比可見光能量高得多、波長短得多的明亮光子脈沖。

Isono說：“波蕩器，即位于FEL核心的磁陣，對電子束的接受有非常嚴(yán)格的要求，這直接關(guān)系到LPA驅(qū)動激光的指向角度和橫向波動�！�

擬議中的kBELLA是下一代激光系統(tǒng)，它將結(jié)合高功率和千赫茲重復(fù)率，將是另一個可能的應(yīng)用�！斑@項工作并不局限于激光等離子體加速，”BELLA中心主任Eric Esarey說。“它解決了整個高功率激光界的一個具體需求，即證明高功率脈沖的相關(guān)低功率拷貝，而沒有明顯的干擾。在任何需要將高功率激光束以一定的精度傳遞到任何應(yīng)用的地方，這個診斷器都會帶來很大的變化。想想激光粒子碰撞實驗，或激光與微米級精度目標(biāo)的相互作用。”