據外媒報道，美國能源部勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室的伯克利實驗室激光加速器（BELLA）中心已經開發並測試了一個(ge) 創新的光學係統，以前所未有的精度精確測量和控製高功率激光束的位置和指向角度--而不會(hui) 中斷或幹擾激光束。這個(ge) 新係統將幫助整個(ge) 科學界的用戶最大限度地利用高功率激光器。

這項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。她的研究結果在劍橋大學出版社期刊《高功率激光科學與(yu) 工程》最近發表的一篇論文中有所描述。

伯克利實驗室加速器技術和應用物理部（ATAP）主任Cameron Geddes說：“這是測量和控製方麵的一個(ge) 巨大進步，將使全世界的高功率激光設施受益。”BELLA中心是該部門的一部分。

無幹擾的測量

一些有苛刻應用要求的用戶知道，激光束在極小的範圍內(nei) 移動，以響應即使是最受控的實驗室環境的振動和變化性。Isono說：“錯過目標隻要幾微米，就可以使驚人的科學和背景噪音的不必要的補充之間產(chan) 生差異。”微小的指向性偏移也會(hui) 導致不必要的複雜情況。這就是診斷傳(chuan) 感器和反饋係統發揮作用的地方。

在不攔截光束的情況下準確地測量這些參數是關(guan) 鍵所在。傳(chuan) 統的方法要麽(me) 是通過攔截光束的脈衝(chong) 來大大降低光束的功率（這對於(yu) 高強度、高功率的光束來說是很困難的），要麽(me) 是由於(yu) 沒有準確地測量所傳(chuan) 遞的光束而出現誤差。BELLA中心的創新方法包括分割和監測主光束的低功率精確副本，該副本從(cong) 光束線中一個(ge) 特別設計的最終光學元件的後表麵反射出來。

這種新方法的核心是一個(ge) 具有三個(ge) 關(guan) 鍵屬性的激光架構。首先，它每秒同時提供五個(ge) 高功率脈衝(chong) 和一千個(ge) 低功率脈衝(chong) ，所有這些脈衝(chong) 都遵循相同的路徑。其次，光束線的設計經過優(you) 化，使高功率脈衝(chong) 和低功率脈衝(chong) 的大小和發散度相匹配。最後，它用一個(ge) 創新的楔形反射鏡取代了其中一個(ge) 反射光束線鏡，該反射鏡的前表麵和後表麵都有特殊塗層。

幾乎所有的主光束都從(cong) 光學元件的前表麵反射出來，而不會(hui) 受到其他明顯的影響。一小部分光束（可能占輸入功率的1%）通過前表麵傳(chuan) 播並從(cong) 後表麵反射出去。這個(ge) "見證光束"幾乎與(yu) 主光束平行地通過任何後續的光學器件，並有足夠的分流以方便測量儀(yi) 器的放置。最終的結果是，見證光束的指向角度和橫向位置與(yu) 主光束高度相關(guan) 。

Isono說，其結果是 “一個(ge) 不會(hui) 幹擾主激光束的測量，但又非常準確地告訴我們(men) 它的情況”。

對BELLA中心和其他地方的好處

研究人員一個(ge) 近期的目標是將這種診斷方法作為(wei) 反饋係統的一部分，用於(yu) 主動穩定激光的橫向位置和指向角度。在BELLA中心用100 terawatt的激光器進行的初步研究是有希望的。該手稿闡述了通過主動穩定低功率1 kHz的激光脈衝(chong) 序列來消除高功率5 Hz 激光器的抖動的前景。 觀察到激光束的振動和運動發生在幾十赫茲(zi) 的規模上，這完全在實用反饋係統的範圍內(nei) 。預計高功率激光脈衝(chong) 傳(chuan) 輸的位置和角度會(hui) 有五倍的改善。

激光等離子體(ti) 粒子加速器（LPAs）的開發是BELLA中心的主要任務，它體(ti) 現了這種創新的潛在好處。LPAs產(chan) 生超高的電場，可以非常迅速地加速帶電粒子，從(cong) 而為(wei) 下一代更緊湊、更實惠的加速器提供了希望，可用於(yu) 各種應用。由於(yu) LPA是在一個(ge) 薄的空心管或“毛細管”內(nei) 進行加速，它們(men) 將大大受益於(yu) 對驅動激光束位置和指向角度的改進控製。

BELLA中心的一個(ge) 直接應用是使用激光驅動的等離子體(ti) 加速器為(wei) 自由電子激光器（FEL）提供電子束--該設備可產(chan) 生比可見光能量高得多、波長短得多的明亮光子脈衝(chong) 。

Isono說：“波蕩器，即位於(yu) FEL核心的磁陣，對電子束的接受有非常嚴(yan) 格的要求，這直接關(guan) 係到LPA驅動激光的指向角度和橫向波動。”

擬議中的kBELLA是下一代激光係統，它將結合高功率和千赫茲(zi) 重複率，將是另一個(ge) 可能的應用。“這項工作並不局限於(yu) 激光等離子體(ti) 加速，”BELLA中心主任Eric Esarey說。“它解決(jue) 了整個(ge) 高功率激光界的一個(ge) 具體(ti) 需求，即證明高功率脈衝(chong) 的相關(guan) 低功率拷貝，而沒有明顯的幹擾。在任何需要將高功率激光束以一定的精度傳(chuan) 遞到任何應用的地方，這個(ge) 診斷器都會(hui) 帶來很大的變化。想想激光粒子碰撞實驗，或激光與(yu) 微米級精度目標的相互作用。”