科学者は、高出力レーザーの前例のない正確なビーム制御を達成するための鍵となる新しい光学システムを開発します

外国メディアの報道によると、米国エネルギー省のローレンスバークレー国立研究所のバークレー研究所レーザー加速器（BELLA）センターは、高出力レーザービームの位置とポインティングを正確に測定および制御する革新的な光学システムを開発およびテストしました。前例のない精度で。角度-レーザービームを中断または妨害することなく。 この新しいシステムは、科学界全体のユーザーが高出力レーザーを最大限に活用するのに役立ちます。

実験的検証作業は、バークレー研究所とカリフォルニア大学バークレー校の博士課程の学生である磯野文香が主導しました。彼女の研究結果は、ケンブリッジ大学出版局のジャーナル「High Power Laser ScienceandEngineering」に掲載された最近の論文に記載されています。
https://www.htrlaser.com/product-p2750954.html
バークレー研究所の加速器技術および応用物理学部門（ATAP）のディレクターであるCameron Geddesは、次のように述べています。「これは、世界中の高出力レーザー施設に利益をもたらす測定と制御の大きな進歩です。」BELLAセンターはデパートメント。

干渉のない測定

要求の厳しいアプリケーション要件を持つ一部のユーザーは、最も制御された実験室環境の振動と変動に応じて、レーザービームが非常に狭い範囲内で移動することを知っています。磯野氏は、「ターゲットの欠落はわずか数ミクロンであり、驚くべき科学とバックグラウンドノイズの不必要な追加との違いを生む可能性がある」と述べた。わずかな指向性シフトも不必要な合併症を引き起こす可能性がある。ここで、診断センサーとフィードバックシステムが役立ちます。

ビームを遮ることなくこれらのパラメータを正確に測定することが重要です。従来の方法では、ビームのパルスを遮断してビームのパワーを大幅に低減するか（高強度、高パワーのビームでは困難）、送信ビームの測定が不正確であるためにエラーが発生します。 BELLA Centerの革新的なアプローチには、ビームラインの特別に設計された最終光学素子の背面から反射されるメインビームの低電力で正確なコピーを分割して監視することが含まれます。



この新しい方法の中核は、3つの重要な特性を備えたレーザーアーキテクチャです。まず、毎秒5つの高出力パルスと1,000の低出力パルスを同時に提供します。これらはすべて同じパスをたどります。第二に、ビームラインの設計は、高出力パルスと低出力パルスのサイズと発散に一致するように最適化されています。最後に、反射ビームラインミラーの1つを、前面と背面に特殊コーティングを施した革新的なくさび形ミラーに置き換えました。

メインビームのほとんどすべてが光学素子の前面で反射され、他に目立った影響はありません。光ビームのごく一部（入力パワーの1％を占める可能性があります）は、前面を通って伝播し、背面で反射します。この「ウィットネスビーム」は、メインビームとほぼ平行な後続の光学系を通過し、測定器の配置を容易にするのに十分なシャントを備えています。最終的な結果として、ウィットネスビームのポインティング角度と横方向の位置は、メインビームの高さに関連します。

磯野氏は、その結果は「メインのレーザービームに干渉しないが、それが何であるかを非常に正確に教えてくれる測定」であると述べた。

ベラセンターや他の場所へのメリット
30000mw高出力レーザー
研究者の最近の目標は、フィードバックシステムの一部としてこの診断方法を使用して、レーザーの横方向の位置とポインティング角度を積極的に安定させることです。 100テラワットのレーザーを使ったベラセンターでの予備研究は有望です。この原稿は、低出力の1 kHzレーザーパルスシーケンスをアクティブに安定化することにより、高出力の5Hzレーザーのジッターを排除する可能性について説明しています。レーザービームの振動と動きは数十Hzのスケールで発生することが観察されており、これは完全に実際のフィードバックシステムの範囲内です。高出力レーザーパルス送信の位置と角度は5倍に改善されることが期待されます。

レーザープラズマ粒子加速器（LPA）の開発は、この革新の潜在的な利点を具体化するBELLAセンターの主なタスクです。 LPAは超高電界を生成し、荷電粒子を非常に迅速に加速できるため、さまざまなアプリケーションで使用できる次世代のよりコンパクトで手頃な加速器に期待を寄せています。 LPAは細い中空管または「キャピラリー」内で加速されるため、駆動レーザービームの位置とポインティング角度の制御が改善されることで大きなメリットが得られます。

BELLAセンターの直接の用途は、レーザー駆動プラズマ加速器を使用して、電子ビームを自由電子レーザー（FEL）に提供することです。これは、可視光よりもはるかに高いエネルギーと短い波長の明るい光子パルスを生成するデバイスです。

磯野氏は、「FELのコアに配置された磁気アレイであるアンジュレータには、LPA駆動レーザーのポインティング角度と横方向の変動に直接関係する電子ビームの受け入れに関する非常に厳しい要件があります」と述べています。

提案されているkBELLAは、高出力とキロヘルツの繰り返し率を組み合わせた次世代レーザーシステムであり、もう1つの可能なアプリケーションになります。 「この作業は、レーザープラズマ加速に限定されません」と、ベラセンターのディレクターであるエリックエサリーは述べています。 「これは、高出力レーザーコミュニティ全体の特定のニーズを解決します。つまり、明らかな干渉なしに、高出力パルスの関連する低出力コピーを証明します。高出力レーザービームをある程度の精度で、この診断装置は大きな変化をもたらします。レーザー粒子衝突実験、またはレーザーとミクロンレベルの精密ターゲットとの相互作用について考えてみてください。」