Les miroirs hautement réfléchissants et les lentilles de télescope du système laser optique Matter in Extreme Conditions (MEC) sont soigneusement positionnés pour propager les faisceaux laser de haute qualité de l'instrument. Les faisceaux laser créent des conditions de pression et de température extrêmes dans des matériaux qui sont instantanément sondés à l'aide de rayons X durs provenant de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC. Crédit :Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
Des scientifiques du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont récemment mis à niveau un puissant système laser optique utilisé pour créer des ondes de choc qui génèrent des conditions de haute pression comme celles que l'on trouve à l'intérieur des planètes. Le système laser fournit désormais trois fois plus d'énergie pour les expériences avec le laser à rayons X ultra-brillant du SLAC, fournissant un outil plus puissant pour sonder les états extrêmes de la matière dans notre univers.
Ensemble, les lasers optiques et à rayons X forment l'instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) à la source de lumière cohérente Linac (LCLS). Le système laser optique haute puissance crée des conditions de température et de pression extrêmes dans les matériaux, et le faisceau laser à rayons X capture la réponse du matériau.
Avec cette technologie, les chercheurs ont déjà examiné comment les météores impactent les minéraux de choc dans la croûte terrestre et ont simulé les conditions à l'intérieur de Jupiter en transformant une feuille d'aluminium en un plasma dense.
Intensité plus élevée et formes d'impulsions plus contrôlées
L'équipe de l'instrument MEC a reçu un financement du Bureau des sciences de l'énergie de fusion (FES) au sein du Bureau des sciences du DOE pour doubler la quantité d'énergie que le faisceau optique peut fournir en 10 nanosecondes, de 20 à 40 joules.
Mais ils sont allés encore plus loin.
"L'équipe a dépassé nos attentes, une réalisation passionnante pour le programme DOE High Energy Density et les futurs utilisateurs d'instruments MEC, " dit Kramer Akli, responsable du programme plasma de laboratoire à haute densité d'énergie à la FES.
L'équipe a triplé la quantité d'énergie que le laser peut fournir en 10 nanosecondes à un point sur une cible ne dépassant pas la largeur de quelques cheveux humains. Lorsque concentré sur cette petite zone, le laser fournit aux utilisateurs des intensités allant jusqu'à 75 térawatts par centimètre carré.
"En d'autres termes, le laser amélioré a la même puissance que 17 Teslas déchargeant leurs batteries de 100 kilowattheures en une seconde, " dit Eric Galtier, un scientifique instrumentiste de MEC.
Une partie de la mise à niveau énergétique peut être attribuée au nouveau laser optique, front-end pompé par diode maison, conçu avec l'aide de Marc Welch, un ingénieur laser MEC. Les scientifiques ont également construit et automatisé un système pour façonner les impulsions laser avec une précision extraordinaire, permettant aux utilisateurs une flexibilité et un contrôle nettement supérieurs sur les formes d'impulsion utilisées dans leurs expériences.
Un laser plus puissant et fiable signifie que les chercheurs peuvent étudier des régimes de pression plus élevés et atteindre des conditions pertinentes pour les études sur l'énergie de fusion.
À l'intérieur de la chambre cible sous vide MEC où les chercheurs créent des états transitoires de la matière à l'aide de lasers optiques de haute puissance, qui sont ensuite examinés avec les rayons X de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC. Crédit :Matt Beardsley/SLAC National Accelerator Laboratory
Simuler le noyau des planètes
La mise à niveau du MEC est prometteuse pour de nombreux chercheurs, dont Shaughnessy Brennan Brown, un doctorant en Génie Mécanique, dont les recherches portent sur la science à haute densité énergétique, qui s'étend sur la chimie, la science des matériaux, et physique. Brennan Brown utilise le clapier expérimental MEC pour générer des ondes de choc à travers le silicium et générer des conditions de haute pression qui se produisent à l'intérieur de la Terre.
« La mise à niveau du MEC au LCLS permet aux chercheurs comme moi de générer des des régimes de matière exotique auparavant inexplorés - tels que ceux trouvés sur Mars, notre prochain tremplin planétaire - avec une fiabilité et une répétabilité cruciales, " dit Brennan Brown.
Les recherches de Brennan Brown examinent les processus par lesquels le silicium dans le noyau de la Terre se réorganise atomiquement dans des conditions de température et de pression élevées. Les propriétés thermodynamiques de ces états de haute pression affectent notre champ magnétique, qui nous protège du vent solaire et nous permet de survivre sur Terre. La mise à niveau du laser permettra à Brennan Brown d'atteindre des conditions de pression et de température plus élevées à l'intérieur de ses échantillons, un objectif de longue date.
Intensité Plus Précision
Le laser optique amplifie par étapes un faisceau de faible puissance et atteint des énergies de plus en plus élevées. Cependant, la qualité du faisceau laser et la capacité de le contrôler diminuent lors de l'amplification. Une impulsion de mauvaise qualité peut commencer et se terminer avec une forme très différente, ce qui n'est pas utile pour les chercheurs essayant de recréer des conditions spécifiques.
« L'impulsion initiale de faible énergie doit avoir un mode spatial vierge et une forme temporelle correctement configurée, c'est-à-dire une sculpture précise de la puissance de l'impulsion en fonction du temps - avant amplification pour produire les caractéristiques d'impulsion laser nécessaires pour permettre l'expérimentation de chaque utilisateur, " dit Michael Greenberg, le gestionnaire de zone laser de MEC.
Chaque cible est unique et nécessite une énergie et une forme d'impulsion spécifiques, faire des tests manuels et des ajustements chronophages. Avant la mise à niveau, l'équipe a optimisé la forme du pouls à la main, prendre de quelques heures à quelques jours pour le calibrer correctement.
Pour résoudre ce problème, Eric Cunningham, un scientifique du laser à MEC, développé un système de contrôle automatisé pour façonner le faisceau de faible puissance avant amplification.
"Le nouveau système permet une personnalisation précise de la forme des impulsions à l'aide d'un système de boucle de rétroaction informatisé qui analyse les impulsions et re-calibre automatiquement le laser, " a déclaré Cunningham. Le nouvel optimiseur est un système prometteur pour générer de nombreuses impulsions de haute qualité de la manière la plus précise et la plus rapide possible.
En plus des formes d'impulsion améliorées, le système amélioré dépose de l'énergie sur les échantillons de manière plus cohérente d'un tir à l'autre, qui permet aux chercheurs de reproduire de très près des états extrêmes de la matière dans leurs échantillons. Par conséquent, la qualité des données et l'efficacité opérationnelle sont améliorées.
Brennan Brown affirme que ce sont les personnes et la technologie qui font le succès de l'instrument :« La capacité et la compétence des scientifiques et des ingénieurs laser de la station expérimentale MEC offrent aux chercheurs les ressources technologiques dont ils ont besoin pour explorer les questions sans réponse de l'univers et apporter leurs théories à la vie."
