スーパーレーザーの高品質プラズマレンズ
ユニークなエネルギー源として、スーパーレーザーは科学研究、産業、医学などの多くの側面で重要な役割を果たしています。 高強度のレーザーパルスを得るために、ビームは一般に空間内で非常に小さなサイズに収束し、収束した後、回折効果のために急速に発散します。 しかし、レーザー航跡場加速などの分野では、比較的長い距離にわたって高い光強度を維持するためにレーザーが必要です。ローレンスバークレー国立研究所（LBNL）の科学者であるMarlene Turnerが率いる研究は、この分野にまで及びます。
レーザー航跡場加速では、超強力レーザーを使用してプラズマ内の静電波を励起し、海上でのサーフィンと同様に、荷電粒子を静電波で加速することができます。このタイプの加速器の最も特別な特徴は、荷電粒子が特定の量のエネルギーを得るのに必要な加速距離が、従来の加速方法の数千分の1であるということです。ただし、レーザービームがガイドされていない場合、焦点が合った直後に分散するため、レーザーパルスの強度と、高強度の航跡場を駆動できる加速距離が大幅に減少します。したがって、加速距離を短くすると、粒子は最良の加速エネルギーを得ることができなくなります。
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低強度パルスの場合、回折の解決策は光ファイバーガラスであり、レーザービームを数千キロメートルにわたって誘導できますが、高強度レーザーは光ファイバーに損傷を与える可能性があります。 High Power Laser Science and Engineering 2021の第2号の記事で、Marlene Turner教授らは、超強力レーザーに使用されるプラズマファイバーを研究しました。プラズマは、回折効果を低減し、レーザービームを誘導して高強度の透過を拡張することができます。距離。。研究チームは、これまでで最長の40cmの高品質放電キャピラリーを示しました。
プラズマ導波路はどのようにレーザーを誘導しますか？レンズまたは光ファイバーは、中心の最も強い屈折率分布を介してレーザー光を偏向させることができます。プラズマの場合、それは中央の最低の電子密度分布によって達成されます。半径方向の電子密度の分布を徐々に増加させると、半径方向の屈折率が徐々に増加します。これは、高出力レーザー用の超強力レンズまたはレーザー管のようなものです。
どのようにしてそのようなプラズマを生成することができますか？これまでに多くの技術が実装されてきました。この論文では、研究者らは、両端に電極が接続されたガス入りサファイア毛細管を使用しました。プラズマは高電圧放電によって生成されます。放電電流はプラズマを加熱し、管壁の近くで冷却して、温度をより近くにします。管壁が低くなります。空気圧のバランスが取れているため、中心から端までの電子密度が徐々に増加し、レーザービームを誘導するための超強力な導波路が得られます。
静的ガラスレンズや光ファイバーとは異なり、プラズモン導波路はパルスごとに再確立されます。したがって、研究者は各放電のパラメータ変化を詳細に研究し、優れた安定性と再現性を実証しました。これは、レーザー航跡場の加速に複数のパラメーターが変化する加速ビームにとって非常に重要です。研究者は、さまざまな放電プロセスでの導波路パラメータの変化が1％未満であり、各チャネルの密度分布が非常に近いことを発見しました。これは、各レーザーパルスが導波管内の同じ経路に沿って同じように移動することを意味します。
「この研究は、キャピラリーチューブが非常に安定したプラズマを生成できることを示しています。これは、加速器の性能で観察される変動が主にレーザードライブの変動によるものであり、安定性を確保するために非常に瞬時のレーザーフィードバック制御が必要であることを示しています。」カリフォルニアLBNL加速器技術応用物理学部長のキャメロン・ゲデス博士は、この研究について上記のコメントをしました。
ガラスレンズの形状を正確に制御することで光学性能が決まりますが、プラズマを同じレベルに制御することは困難です。理想的には、電子密度分布は放物線ですが、実際には、チャネルの軸から遠く離れた放物線ではありません。研究者たちは、これがビームの焦点を増やすための望遠鏡システムとしてプラズマにおいて非常に重要であることを発見しました。この論文の研究者は、非常に正確な制御を通じて、レーザーの焦点近くに分布する放物線プラズマを使用してレーザーを誘導し、ビームの伝搬中にビームの品質が低下しないようにします。放電キャピラリー導波路は、レーザー航跡場加速器で高エネルギー電子を取得しています。研究チームが開発した長さ40cmの導波路は、カットオフエネルギーをより高いレベルに押し上げることが期待されています。