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一种新型光学系统,可用于100太瓦激光器研究

加利福尼亚州能源部劳伦斯伯克利国家实验室研究中心已经开发出一种光学系统,可以精确测量和控制高功率激光束的位置和指向角度,而不会中断或干扰激光束。

该实验验证工作由伯克利实验室和加州大学伯克利分校的博士候选人 Fumika Isono 领导,研究结果发表在《高功率激光科学与工程》上。

伯克利实验室加速器技术和应用物理部主任卡梅伦 · 格德斯(Cameron Geddes)说:“这是测量和控制方面的巨大进步,将惠及全世界的高功率激光设备。”贝拉中心(BELLA Center)是该部门的成员之一。

可实现无干扰的测量

使用高要求应用程序的激光用户发现,即使在控制最严格的实验室环境中,激光束也会在微小的范围内移动,以响应振动和可变性。Isono说:“仅仅几微米的误差就会造成惊人的科学发现和不必要的背景噪音之间的差别。”

传统的测量方法要么因为截取脉冲而大大削弱光束的功率,要么因为不能精确地测量光束的传输而导致测量不准确。贝拉中心的创新方法包括分离和监控主光束的低功率精确复制,主光束从光束线中特别设计的最终光学的后表面反射。

这种新方法的核心具有三个关键属性的激光架构:

首先,它同时提供五个高功率脉冲和每秒一千个低功率脉冲,所有这些都沿着相同的路径;其次,对光束线设计进行了优化,以保证高低功率脉冲在大小和发散度上的匹配;

最后,它用一种创新的楔形反射镜取代了一个反射光束线反射镜,该反射镜的前后表面都有特殊的涂层。

光束的一小部分,大约占输入功率的1%,通过前表面传播,然后在后表面反射。这种所谓的“见证光束”几乎与主光束平行通过任何后续的光学系统,只是为了便于放置测量仪器而转移了足够的方向。

一种新型光学系统,可用于100太瓦激光器研究

楔形光学是伯克利实验室创新的核心 (来源:伯克利实验室)


100TW测试

研究人员对于该系统应用的近期的目标是使用这种诊断技术作为反馈系统的一部分,主动稳定激光器的横向位置和指向角度。贝拉中心的100太瓦激光器的初步研究很有希望。

《高功率激光科学与工程》的一篇文章描述了通过主动稳定低功率1kHz激光脉冲序列来消除高功率5Hz激光抖动的前景,观察到激光束的振动和运动在几十赫兹的范围内发生,这完全在实际反馈系统的范围内。高功率激光脉冲传输的位置和角度有望提高五倍。

贝拉中心的一个直接应用是使用激光驱动等离子体加速器(LPA)为自由电子激光器(FEL)提供电子束。自由电子激光器是一种产生比可见光能量高得多、波长短得多的明亮光子脉冲的设备。Isono说:“振荡器,即位于自由电子激光器中心的磁阵,对电子束的接受有非常严格的要求,这直接关系到LPA驱动激光指向角度和横向波动。”

此外,下一代激光系统kBELLA将结合高功率和千赫兹重复频率,这将是另一个可能的应用。

编译自:optics.org

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