Forscher entwerfen kompakten Hochleistungslaser mit Plasmaoptik

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben einen kompakten Multi-Petawatt-Laser entwickelt, der Plasmatransmissionsgitter verwendet, um die Leistungsbeschränkungen herkömmlicher optischer Festkörpergitter zu überwinden. Das Design könnte den Bau eines ultraschnellen Lasers ermöglichen, der bis zu 1.000-mal leistungsstärker ist als bestehende Laser derselben Größe.

Petawatt-(Billiarden-Watt-)Laser beruhen auf Beugungsgittern für die Chirped-Pulse-Amplification (CPA), eine Technik zum Dehnen, Verstärken und anschließenden Komprimieren eines hochenergetischen Laserpulses, um eine Beschädigung optischer Komponenten zu vermeiden. CPA, das 2018 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, bildet das Herzstück der Advanced Radiographic Capability der National Ignition Facility sowie des Vorgängers von NIF, des Nova-Lasers, des weltweit ersten Petawatt-Lasers.

Mit einer Schadensschwelle, die um mehrere Größenordnungen höher ist als bei herkömmlichen Reflexionsgittern, „ermöglichen uns Plasmagitter, viel mehr Leistung für Gitter gleicher Größe zu liefern“, sagte der ehemalige LLNL-Postdoc Matthew Edwards, Co-Autor von a Körperliche Überprüfung angewendet Artikel, der das neue Design beschreibt und am 9. August online veröffentlicht wurde. Edwards wurde bei dem Artikel von Pierre Michel, Leiter der Laser-Plasma-Wechselwirkungsgruppe, unterstützt.

„Glas-Fokussieroptiken für leistungsstarke Laser müssen groß sein, um Schäden zu vermeiden“, sagte Edwards. „Die Laserenergie wird verteilt, um die lokale Intensität niedrig zu halten. Da das Plasma optischen Beschädigungen besser widersteht als beispielsweise ein Stück Glas, können wir uns vorstellen, einen Laser zu bauen, der hundert- oder tausendmal so viel Leistung erzeugt wie ein aktuelles System ohne macht dieses System größer.“

Mit 50 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Hochenergie-Lasersystemen ist LLNL auch seit langem führend in der Entwicklung und Herstellung der weltweit größten Beugungsgitter, wie z. B. der Goldgitter, die zur Erzeugung von 500-Joule-Petawatt-Pulsen auf dem Nova-Laser verwendet werden In den 1990ern. Für Multi-Petawatt- und Exawatt- (1.000-Petawatt-) Laser der nächsten Generation wären jedoch noch größere Gitter erforderlich, um die Grenzen der maximalen Fluenz (Energiedichte) zu überwinden, die durch herkömmliche Festkörperoptiken auferlegt werden (siehe „Holografische Plasmalinsen für Ultra-High -Leistungslaser“).

Edwards merkte an, dass Optiken aus Plasma, einer Mischung aus Ionen und freien Elektronen, „gut für einen Laser mit relativ hoher Wiederholungsrate und hoher Durchschnittsleistung geeignet sind“. Das neue Design könnte es beispielsweise ermöglichen, ein Lasersystem ähnlicher Größe wie das L3 HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) bei ELI Beamlines in der Tschechischen Republik einzusetzen, jedoch mit 100-facher Spitzenleistung.

HAPLS wurde von LLNL entworfen und konstruiert und 2017 an ELI Beamlines geliefert. Es wurde entwickelt, um 30 Joule Energie in einer Impulsdauer von 30 Femtosekunden (Billiardstel Sekunde) zu erzeugen, was einem Petawatt entspricht, und dies bei 10 Hertz ( 10 Impulse pro Sekunde).

„Wenn Sie sich vorstellen, HAPLS mit der 100-fachen Spitzenleistung bei gleicher Wiederholungsrate zu bauen, ist dies die Art von System, für die dies am besten geeignet wäre“, sagte Edwards, jetzt Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Stanford University.

„Das Gitter kann mit einer sehr hohen Wiederholungsrate neu hergestellt werden, daher denken wir, dass ein 10-Hertz-Betrieb mit dieser Art von Design möglich ist. Es wäre jedoch nicht für einen Dauerstrichlaser mit hoher Durchschnittsleistung geeignet.“

Während Plasmaoptiken erfolgreich in Plasmaspiegeln eingesetzt wurden, sagten die Forscher, war ihre Verwendung zur Pulskompression bei hoher Leistung durch die Schwierigkeit, ein ausreichend gleichmäßiges großes Plasma zu erzeugen, und die Komplexität der nichtlinearen Plasmawellendynamik begrenzt.

„Es hat sich als schwierig erwiesen, Plasmen dazu zu bringen, das zu tun, was man von ihnen will“, sagte Edwards. „Es ist schwierig, sie ausreichend homogen zu machen, die Temperatur- und Dichteschwankungen klein genug zu halten und so weiter.“

„Wir streben ein Design an, bei dem diese Art von Inhomogenität ein möglichst geringes Problem für das Gesamtsystem darstellt – das Design sollte sehr tolerant gegenüber Unvollkommenheiten im verwendeten Plasma sein.“

Basierend auf Simulationen mit dem Particle-in-Cell (PIC)-Code EPOCH sagten die Forscher: „Wir erwarten, dass dieser Ansatz in der Lage ist, einen Grad an Stabilität zu bieten, der mit anderen plasmabasierten Kompressionsmechanismen nicht erreichbar ist, und sich als praktikabler erweisen könnte in der Praxis bauen.“ Das neue Design „benötigt nur Gas als Ausgangsmedium, ist robust gegenüber Schwankungen der Plasmabedingungen und minimiert das Plasmavolumen, um eine ausreichende Gleichmäßigkeit praktisch zu machen.“

„Durch die Verwendung erreichbarer Plasmaparameter und die Vermeidung von Festkörperplasma und Festkörperoptik bietet dieser Ansatz einen praktikablen Weg zur nächsten Generation von Hochleistungslasern.“