Fumika Isono, doctorante au Berkeley Lab (au centre), Jeroen van Tilborg, directeur adjoint du Centre BELLA (à droite), et le chercheur Sam Barber ont mis en place une nouvelle expérience de stabilisation laser sur l'un des lasers de classe 100-TW du Centre BELLA. Crédit :Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Le centre Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy a développé et testé un système optique innovant pour mesurer et contrôler avec précision la position et l'angle de pointage des faisceaux laser haute puissance avec une précision sans précédent. sans interrompre ni perturber les faisceaux. Le nouveau système aidera les utilisateurs de toutes les sciences à tirer le meilleur parti des lasers à haute puissance.
L'effort de validation expérimentale a été dirigé par la doctorante Fumika Isono du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley. Ses découvertes sont décrites dans un article publié récemment par la revue Cambridge University Press, Science et ingénierie des lasers à haute puissance.
« Il s'agit d'une avancée considérable en matière de mesure et de contrôle qui profitera aux installations laser haute puissance dans le monde entier, " a déclaré Cameron Geddes, Directeur de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP) de Berkeley Lab, dont le Centre BELLA fait partie.
Mesure sans perturbation
Les gens pensent qu'un laser est si précis qu'il passe dans le langage comme métaphore, mais les utilisateurs avec des applications exigeantes savent que les faisceaux laser se déplacent à une échelle minuscule en réponse aux vibrations et à la variabilité de l'environnement de laboratoire le plus contrôlé.
« Manquer la cible de quelques microns seulement peut faire la différence entre une science étonnante et un ajout indésirable au bruit de fond, " dit Isono.
Des décalages d'angle de pointage de moins d'un millième de degré peuvent également entraîner des complexités indésirables. C'est là que les capteurs de diagnostic et les systèmes de rétroaction entrent en jeu.
L'astuce consiste à mesurer ces paramètres à la fois avec précision et sans intercepter le faisceau. Les méthodes traditionnelles, soit sapent considérablement la puissance du faisceau en interceptant ses impulsions (ce qui est de toute façon difficile pour les intenses, faisceaux de haute puissance) ou souffrent d'imprécisions parce qu'ils ne mesurent pas le faisceau exactement tel qu'il est délivré. L'approche innovante du Centre BELLA consiste à séparer et surveiller une copie exacte de faible puissance du faisceau principal, réfléchie par la surface arrière d'une optique finale spécialement conçue dans la ligne de faisceau.
Le cœur de cette nouvelle approche est une architecture laser avec trois attributs clés. D'abord, il fournit simultanément cinq impulsions de forte puissance et mille impulsions de faible puissance par seconde, suivant tous le même chemin. Seconde, la conception de la ligne de lumière est optimisée pour que les impulsions haute et basse puissance correspondent en taille et en divergence. Finalement, il remplace l'un des miroirs réfléchissants de la ligne de faisceau par un réflecteur en forme de coin innovant doté de revêtements spéciaux sur les surfaces avant et arrière.
Au cœur de l'innovation Berkeley Lab se trouve une optique en forme de coin avec une surface avant réfléchissante à 99% pour le faisceau principal, et une surface arrière calée pour réfléchir un faisceau témoin de faible puissance. Les deux faisceaux réfléchis sont focalisés à presque la même distance le long de chemins presque identiques, ainsi le faisceau témoin subit les mêmes mouvements que le faisceau principal. Crédit :Berkeley Lab
La quasi-totalité du faisceau principal est réfléchie sur la surface avant de l'optique sans autrement être sensiblement affectée. Un tout petit bout de faisceau, représentant peut-être 1% de la puissance d'entrée, se propage à travers la surface avant et se reflète sur la surface arrière. Ce "faisceau témoin" traverse toute optique ultérieure presque parallèlement au faisceau principal, avec juste assez de déviation pour un placement facile des instruments de mesure. Le résultat final est un faisceau témoin avec un angle de pointage et une position transversale fortement corrélés à ceux du faisceau principal.
Le résultat, dit Isono, est "une mesure qui n'interfère pas avec le faisceau laser principal, mais nous en parle très précisément."
Avantages pour le Centre BELLA et au-delà
Un objectif à court terme consiste à utiliser ce diagnostic dans le cadre d'un système de rétroaction pour la stabilisation active de la position transversale du laser et de l'angle de pointage. Les études préliminaires avec le laser de 100 térawatts au Centre BELLA sont prometteuses. Le manuscrit expose la possibilité de supprimer les instabilités sur le laser haute puissance 5 Hz en stabilisant activement le train d'impulsions laser basse puissance 1 kHz. La vibration et le mouvement du faisceau laser ont été observés sur une échelle de quelques dizaines de hertz, ce qui est bien dans la gamme d'un système de rétroaction pratique. Une amélioration quintuple de la position et de l'angle de délivrance des impulsions laser haute puissance est attendue.
Le développement des accélérateurs de particules laser-plasma (APL), qui est la mission première du Centre BELLA, illustre les avantages potentiels de cette innovation. Les LPA produisent des champs électriques ultra-élevés qui accélèrent très rapidement les particules chargées, offrant ainsi la promesse d'une prochaine génération de plus compact, des accélérateurs plus abordables pour une grande variété d'applications. Étant donné que les LPA effectuent leur accélération dans un tube creux mince, ou "capillaire, " ils bénéficieraient grandement d'un meilleur contrôle de la position du faisceau laser d'entraînement et de l'angle de pointage.
Une application immédiate au Centre BELLA est l'utilisation d'un accélérateur à plasma (LPA) à commande laser pour fournir des faisceaux d'électrons à un laser à électrons libres (FEL) - un dispositif qui produit des impulsions photoniques lumineuses à une énergie beaucoup plus élevée et à une longueur d'onde plus courte que lumière visible.
"L'onduleur, le réseau magnétique au cœur du FEL, a des exigences très strictes sur l'acceptation des faisceaux d'électrons, qui se rapporte directement à l'angle de pointage du laser d'entraînement LPA et aux fluctuations transversales, " dit Isono.
Le projet kBELLA, un système laser de nouvelle génération qui combinera une puissance élevée avec un taux de répétition en kilohertz, sera une autre application probable.
L'intérêt des laboratoires laser du monde entier est attendu. "Ce travail ne se limite pas à l'accélération laser-plasma, " a déclaré Eric Esarey, directeur du centre BELLA. " Il répond à un besoin spécifique de la communauté des lasers de haute puissance, à savoir, prouver une copie corrélée de faible puissance de l'impulsion de forte puissance sans interférence significative. Partout où un faisceau laser haute puissance doit être livré avec une certaine précision à n'importe quelle application, ce diagnostic va faire une grande différence. Pensez aux expériences de collision laser-particule, ou des interactions laser avec des cibles de précision micrométrique telles que des capillaires ou des gouttelettes."
