كمصدر فريد للطاقة، تلعب أشعة الليزر الفائقة دورا رئيسيا في العديد من الجوانب مثل البحث العلمي والصناعة والطب. من أجل الحصول على نبضات ليزر عالية الكثافة ، تتلاقى الحزم بشكل عام إلى حجم صغير جدا في الفضاء ، وبعد التقارب ، سوف تتباعد بسرعة بسبب تأثيرات الحيود. ومع ذلك ، في مجالات مثل تسارع ويكفيلد الليزر ، مطلوب أشعة الليزر للحفاظ على كثافة الضوء العالي على مسافة كبيرة. دراسة بقيادة مارلين تيرنر، عالمة في مختبر لورانس بيركلي الوطني (LBNL)، تمتد إلى هذا المجال.
في تسارع ويكفيلد الليزر، يتم استخدام الليزر فائقة الطاقة لإثارة موجات الكهروستاتيكي في البلازما، ويمكن تسريع الجسيمات المشحونة في موجات كهربائية، على غرار ركوب الأمواج على البحر. الميزة الأكثر خصوصية لهذا النوع من المسرع هو أن مسافة التسارع المطلوبة للجسيمات المشحونة للحصول على كمية معينة من الطاقة أقصر بآلاف المرات من طرق التسارع التقليدية. ومع ذلك ، إذا لم يتم توجيه شعاع الليزر ، فإنه سيتفرق بعد وقت قصير من التركيز ، مما يقلل بشكل كبير من كثافة نبض الليزر ومسافة التسارع التي يمكن أن تدفع حقل الاستيقاظ عالي الكثافة. لذلك، فإن تقصير مسافة التسارع يؤدي إلى عدم حصول الجسيمات على أفضل طاقة تسارع.
بالنسبة للبقول منخفضة الكثافة ، فإن الحل للانعراج هو زجاج الألياف البصرية ، والذي يمكن أن يوجه شعاع الليزر لآلاف الكيلومترات ، ولكن أشعة الليزر عالية الكثافة يمكن أن تلحق الضرر بالألياف البصرية. في مقال في العدد الثاني من مجلة High Power Laser Science and Engineering 2021، درست البروفيسورة مارلين تيرنر وآخرون ألياف البلازما المستخدمة في أشعة الليزر فائقة الطاقة. البلازما يمكن أن تقلل من تأثير الحيود وتوجيه شعاع الليزر لتمديد مسافة انتقال عالية الكثافة. . وأظهر فريق البحث أطول 40 سم عالية الجودة تفريغ الشعرية حتى الآن.
كيف دليل موجة البلازما دليل الليزر؟ يمكن للعدسة أو الألياف البصرية تحويل ضوء الليزر من خلال أقوى توزيع مؤشر الانكسار في المركز. بالنسبة للبلازما، يتم تحقيقها من خلال أقل توزيع كثافة إلكترون في المركز. تؤدي زيادة توزيع كثافة الإلكترون تدريجيا في الاتجاه الشعاعي إلى زيادة تدريجية في مؤشر الانكسار في الاتجاه الشعاعي ، وهو مثل عدسة فائقة الطاقة أو أنبوب ليزر لأشعة الليزر عالية الطاقة.
كيف يمكن توليد مثل هذه البلازما؟ وقد تم حتى الآن تنفيذ عدد من التكنولوجيات. في هذه الورقة، استخدم الباحثون أنبوب ا شعريا ياقوتيا مملوءا بالغاز مع أقطاب كهربائية متصلة بكلا الطرفين. يتم إنشاء البلازما عن طريق التفريغ عالي الجهد. يقوم تيار التصريف بتسخين البلازما وتبريدها بالقرب من جدار الأنبوب ، مما يجعل درجة الحرارة أقرب إلى جدار الأنبوب أقل. نظرا لأن ضغط الهواء متوازن ، فإن كثافة الإلكترون من المركز إلى النهايات تزداد تدريجيا ، مما يؤدي إلى توجيه موجه موجي قوي للغاية لتوجيه شعاع الليزر.
على عكس العدسة الزجاجية الثابتة أو الألياف البصرية ، يتم إعادة إنشاء موجه الموجات البلازموني في كل نبضة. لذلك ، درس الباحثون بالتفصيل التغيرات المعلمة لكل تفريغ وأظهروا استقرارا ممتازا وقابلية تكرار. هذا مهم جدا للشعاع المتسارع مع تغييرات متعددة المعلمات في تسريع حقل التنبيه بالليزر. ووجد الباحثون أن تغيير معلمات دليل الموجات في عمليات التفريغ المختلفة أقل من 1٪، وتوزيع الكثافة في كل قناة قريب جدا. وهذا يعني أن كل نبضة ليزر سوف تنتقل بنفس الطريقة على نفس المسار في دليل الموجة.
"هذا العمل يدل على أن أنبوب الشعرية يمكن أن تولد البلازما مستقرة جدا، مما يدل على أن التقلبات التي لوحظت في أداء المسرع ويرجع ذلك أساسا إلى تقلبات محرك الليزر، والسيطرة على ردود الفعل الليزر لحظة جدا مطلوب لضمان الاستقرار." كاليفورنيا LBNL مسرع التكنولوجيا الدكتور كاميرون جيديس، مدير قسم الفيزياء التطبيقية، وقدم التعليقات المذكورة أعلاه على هذا العمل.
التحكم الدقيق في شكل العدسة الزجاجية يحدد الأداء البصري ، ولكن من الصعب التحكم في البلازما إلى نفس المستوى. من الناحية المثالية ، فإن توزيع كثافة الإلكترون مكافئ ، ولكنه في الواقع لم يعد قطع مكافئ بعيدا عن محور القناة. ووجد الباحثون أن هذا مهم جدا في البلازما كنظام تلسكوب لزيادة البقعة المحورية للشعاع. من خلال التحكم الدقيق جدا، يستخدم الباحثون في هذه الورقة البلازما المكافئة الموزعة بالقرب من النقطة المحورية لليزر لتوجيه الليزر، بحيث لا تنخفض جودة الحزمة أثناء انتشار الحزمة. وقد حصل موجه الموجات الشعرية التفريغ الإلكترونات عالية الطاقة في مسرع ويكفيلد الليزر. ومن المتوقع أن يدفع موجه الموجة الطويل الذي يبلغ طوله 40 سم الذي طوره فريق البحث الطاقة المقطوعة إلى مستوى أعلى.
