近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的伯克利實驗室激光加速器(BELLA)中心開發(fā)并測試了新的光學系統，能夠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，并且在此過程中不會中斷或干擾光束。

激光應用是“差之毫厘，謬以千里”最好的體現，對精度有著嚴格的高要求。幾微米的目標偏差或者千分之一的角度偏移都會使問題復雜化，帶來噪音等巨大的影響。加州大學伯克利分校的博士生以及論文第一作者Fumika Isono正是基于這一認知， 同BELLA中心副主任和另一科學家在BELLA中心的一臺TW級激光器中進行了一項新穎的激光穩(wěn)定實驗。

伯克利實驗室博士生Fumika Isono(中)、BELLA中心副主任Jeroen van Tilborg(右)和科學家Sam Barber在BELLA中心的一臺TW級激光器中進行了一項新穎的激光穩(wěn)定實驗。圖片由瑪麗蓮·薩金特/伯克利實驗室(Marilyn Sargent/Berkeley Lab)提供。

創(chuàng)新之處：

過去為了在不干擾光束的前提下精確測量參數，要么通過攔截光束的脈沖而極大地消耗光束的功率，要么則以精確度的缺失為代價。與此不同的是，BELLA中心開發(fā)的方法通過分離和監(jiān)控主光束的低功率精確副本實現目的，該副本來自于光束線中特殊設計的最終光學器件的后表面反射。

該激光架構具有三個關鍵屬性：首先，它每秒能同時提供遵循相同路徑的五個高功率脈沖和一千個低功率脈沖；其次，它優(yōu)化了光束線從而使高功率和低功率脈沖在大小和發(fā)散度上相互匹配。再者，這種方法創(chuàng)新地使用楔形反射鏡取代了其中一個光束反射鏡，該反射鏡的前后表面都有特殊涂層(Isono在論文中稱之為“雙面涂層”)，幾乎所有的主光束都在光學器件的前表面被反射，而不會受到明顯的影響。其中一小部分稱為“光束見證者”，約占輸入功率的1%，接著被后表面反射。它們幾乎與主光束平行，其間隔剛好足以方便放置測量儀器。據Isono解釋，這在不干擾主激光束的同時準確反映光束信息，可將此作為反饋系統的一部分，用于自主穩(wěn)定激光器的橫向位置和指向角度。根據研究，通過主動穩(wěn)定低功率1千赫激光脈沖序列，可以消除高功率5赫茲激光的振動，預計可將高功率激光脈沖傳輸的位置和角度提高五倍。

高功率之能：

激光等離子體粒子加速器(LPAs)的發(fā)展是BELLA中心的主要任務，LPA產生超高電場，可以非常快速地給帶電粒子“加速度”，使下一代更緊湊、更經濟的加速器成為可能，用于各應用。由于低功率放大器在一個薄的中空管或“毛細管”內進行加速，它們將大大受益于對驅動激光束位置和指向角度的改進控制。貝拉中心的一個直接應用是使用LPA為自由電子激光器(FEL)提供電子束，自由電子激光器是一種產生比可見光能量高得多、波長短得多的明亮光子脈沖的設備。“波動器是自由電子激光的核心磁陣列，對電子束的接受度有非常嚴格的要求，這直接關系到LPA驅動激光的指向角度和橫向波動，”Isono說。下一代激光系統（研究人員稱kBELLA）會結合高功率和千赫重復率，創(chuàng)造其他的應用前景。“這項工作不僅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器領域的一個特定需求，即證明高功率脈沖的相關低功率副本沒有顯著干擾。在任何需要將高功率激光束以一定精度傳送到任何應用的地方，這一結論都會產生很大的影響。可以暢想一下激光粒子碰撞實驗，或者激光與毛細管或液滴等微米精度目標的相互作用。” 

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