美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的伯克利實驗室激光加速器(BELLA)中心開發并測試了一種創新的光學系統，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——不會中斷或干擾光束。新系統將幫助整個科學領域的用戶充分利用高功率激光器。
實驗驗證工作由伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的博士生 Fumika Isono 領導。劍橋大學出版社最近發表的一篇論文《高功率激光科學與工程》中描述了她的發現。
伯克利實驗室加速器技術和應用物理 (ATAP) 部門主管 Cameron Geddes 說：“這是測量和控制方面的巨大進步，將使全球高功率激光設施受益。” BELLA 中心是該部門的一部分。
無干擾測量
人們認為激光非常精確，但要求苛刻的應用程序的用戶知道，即使是最受控制的實驗室環境，激光束也會以微小的尺度移動以響應振動和可變性。
Isono 說：“少少幾微米的目標就會在驚人的科學和不必要的背景噪音之間產生差異。”
小于千分之一度的指向角偏移也會導致不必要的復雜性。這就是診斷傳感器和反饋系統發揮作用的地方。
在不截斷光束的情況下準確測量這些參數是訣竅。傳統方法要么通過攔截其脈沖(無論如何這對于強、高功率光束來說都是困難的)而大大削弱光束的功率，要么因為它們沒有準確地測量傳送的光束而導致不準確。BELLA 中心的創新方法包括分離和監控主光束的低功率精確副本，從光束線中專門設計的最終光學器件的后表面反射。
這種新方法的核心是具有三個關鍵屬性的激光架構。首先，它每秒同時提供五個高功率脈沖和一千個低功率脈沖，所有脈沖都遵循相同的路徑。其次，光束線設計經過優化，以保持高功率和低功率脈沖的大小和發散度匹配。最后，它用創新的楔形反射器取代了其中一個反射光束線反射鏡，該反射器的前后表面均具有特殊涂層。
幾乎所有的主光束都被光學元件的前表面反射，而不會受到明顯影響。一小部分光束，可能代表輸入功率的 1%，通過前表面傳播并從后表面反射。這種“見證光束”幾乎與主光束平行地穿過任何后續光學器件，只需足夠的轉向即可輕松放置測量儀器。最終結果是目擊光束的指向角和橫向位置與主光束的指向角和橫向位置高度相關。
Isono 說，結果是“不會干擾主激光束的測量，但非常準確地告訴我們它。”
對 BELLA 中心及其他地區的好處
近期的目標是將此診斷用作反饋系統的一部分，以主動穩定激光器的橫向位置和指向角。BELLA 中心對 100 太瓦激光器的初步研究很有希望。該手稿闡述了通過主動穩定低功率 1 kHz 激光脈沖序列來消除高功率 5 Hz 激光抖動的前景。觀察到激光束振動和運動發生在幾十赫茲的范圍內，這完全在實際反饋系統的范圍內。高功率激光脈沖傳輸的位置和角度有望提高五倍。
激光等離子體粒子加速器 (LPA) 的開發是 BELLA 中心的主要任務，體現了這一創新的潛在好處。LPA 產生超高電場，可以非常迅速地加速帶電粒子，從而有望為各種應用提供下一代更緊湊、更實惠的加速器。由于 LPA 在細空心管或“毛細管”內執行加速，因此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。
伯克利實驗室創新的核心是楔形光學器件，前表面反射率 99% 的主光束，楔形后表面反射低功率目擊光束。兩束反射光束沿著幾乎相同的路徑在幾乎相同的距離聚焦，因此目擊光束與主光束經歷相同的運動。(來源：伯克利實驗室)
BELLA 中心的一個直接應用是使用激光驅動的等離子體加速器 (LPA) 為自由電子激光器 (FEL) 提供電子束 - 一種能以遠高于可見光。
“波動器是 FEL 的核心磁性陣列，對電子束接受度有非常嚴格的要求，這與 LPA 驅動激光指向角和橫向波動直接相關，”Isono 說。
擬議的 kBELLA 是一種將高功率與千赫茲重復率相結合的下一代激光系統，將是另一個可能的應用。
預計全球激光實驗室會對此感興趣。“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社區的特定需求，即在沒有顯著干擾的情況下證明高功率脈沖的相關低功率副本。任何需要將高功率激光束以一定精度傳送到任何應用的任何地方，這種診斷都會產生很大的不同。想想激光粒子碰撞實驗，或者激光與毛細管或液滴等微米精度目標的相互作用。”
除了高能物理辦公室和戈登和貝蒂摩爾基金會之外，這項工作還得到了美國能源部科學辦公室、基礎能源科學辦公室的支持，通過早期職業研究計劃資助 Jeroen van Tilborg。
