Un guide d'onde à décharge capillaire de 20 centimètres de long, utilisé au Centre BELLA pour guider les impulsions laser de haute intensité, et appliqué pour établir leur record à ce jour pour l'accélération des électrons :8 milliards d'électrons-volts (GeV). Crédit :Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
Les impulsions laser haute puissance focalisées sur de petits points pour atteindre des intensités incroyables permettent une variété d'applications, allant de la recherche scientifique à l'industrie et à la médecine. Au Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA), par exemple, L'intensité est la clé pour construire des accélérateurs de particules des milliers de fois plus courts que les accélérateurs conventionnels qui atteignent la même énergie. Cependant, les accélérateurs laser-plasma (LPA) nécessitent une intensité soutenue sur plusieurs centimètres, pas seulement un foyer ponctuel qui se développe rapidement en raison de la diffraction.
Pour atteindre une intensité soutenue, le Centre BELLA, au Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab), utilise des structures creuses minces, ou "capillaires, " contenant un plasma pour transporter les impulsions lumineuses. Les scientifiques du Centre BELLA ont poussé vers des capillaires de plus en plus longs alors qu'ils s'efforcent d'obtenir des énergies de faisceau plus élevées avec leurs LPA.
Leurs derniers travaux montrent, avec une précision plus élevée que jamais, que ces guides d'ondes à plasma sont extrêmement stables et de haute qualité reproductible, et que ces caractéristiques peuvent être maintenues sur des distances allant jusqu'à 40 centimètres. Cela confirme que cette technologie clé pour les APL peut être étendue à mesure que le Centre BELLA pousse vers des énergies plus élevées, bénéficiant d'applications potentielles allant de la recherche et du traitement biomédicaux aux sources de lumière laser à électrons libres pour les installations de recherche.
Le travail, dirigé par la chercheuse postdoctorale Marlene Turner, travailler avec le scientifique Anthony Gonsalves - est décrit dans une étude publiée dans la revue Science et ingénierie des lasers haute puissance .
"Ce travail montre que les capillaires peuvent produire des cibles de plasma extrêmement stables pour l'accélération et que les variations observées dans les performances de l'accélérateur sont principalement dues à la fluctuation du laser, ce qui indique la nécessité d'un contrôle de rétroaction laser actif, " a déclaré Cameron Geddes, directeur de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée, organisation mère du Centre BELLA.
Marlene Turner (à droite) collaborant sous les précautions COVID avec Anthony Gonsalves. Crédit :Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
Les canaux plasma donnent un guidage cohérent aux impulsions puissantes
La fibre optique peut transporter des impulsions de faisceau laser sur des milliers de kilomètres, un principe familier dans les réseaux informatiques modernes. Cependant, avec les intensités laser élevées utilisées au Centre BELLA (20 ordres de grandeur plus intenses que la lumière du soleil à la surface de la Terre), les électrons seraient presque instantanément retirés de leurs atomes parents par le champ laser, détruire les matériaux solides tels que les fibres de verre. La solution est d'utiliser du plasma, un état de la matière dans lequel les électrons ont déjà été retirés de leurs atomes, comme une "fibre".
Le Centre BELLA a utilisé des plasmas pour guider les impulsions laser sur des distances allant jusqu'à 20 centimètres afin d'atteindre les énergies de particules laser les plus élevées à ce jour. Le plasma est créé par une décharge électrique à l'intérieur du capillaire. C'est là que les électrons « surfent » sur une onde de champ électrique ultra-élevé créée par l'impulsion laser. Plus la focalisation soutenue est longue, plus ils vont vite à la fin du trajet.
Cependant, la panne de gaz dans une décharge électrique est un événement violent et largement incontrôlé (imaginez un petit, coup de foudre confiné). Tracer la voie vers des énergies toujours plus élevées et un contrôle de précision au Centre BELLA, les chercheurs avaient besoin de savoir dans quelle mesure les caractéristiques de guidage d'onde sont reproductibles d'une impulsion laser à l'autre, et à quel point chaque impulsion laser peut être guidée.
Afin de donner des résultats de guidage d'ondes analogues à une fibre optique, la densité du plasma doit être la plus faible au centre, avec un profil mathématiquement qualifié de parabolique. "Nous avons montré, avec une précision sans précédent, que les profils de plasma sont en effet très paraboliques sur la taille du spot d'impulsion laser qu'ils sont destinés à guider, " a déclaré Gonsalves. " Cela permet la propagation des impulsions dans le guide d'ondes sans dégradation de la qualité. "
Marlene Turner inspecte un capillaire de 40 centimètres de long. Crédit :Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
D'autres types de guides d'ondes plasma (il existe plusieurs façons de les créer) peuvent également être mesurés avec une grande précision à l'aide de ces méthodes.
La précision de la mesure était également idéale pour étudier à quel point le profil de densité change d'un tir laser à l'autre, car bien que le capillaire soit durable, le plasma de guidage d'ondes qui s'y trouve se forme à nouveau à chaque fois. L'équipe a trouvé une stabilité et une reproductibilité exceptionnelles.
« Ces résultats, ainsi que nos travaux en cours sur la rétroaction active assistée par des techniques d'apprentissage automatique, sont un grand pas vers l'amélioration de la stabilité et de la facilité d'utilisation des accélérateurs laser-plasma, " a déclaré Eric Esarey, directeur du Centre BELLA. (La rétroaction active pour stabiliser les fluctuations laser fait également l'objet de recherche et développement au Centre BELLA.)
Des impulsions laser guidées éclairent un chemin vers le progrès
La technologie d'accélération laser-plasma pourrait réduire la taille et le coût des accélérateurs de particules, augmentant ainsi leur disponibilité pour les hôpitaux et les universités, par exemple, et finalement apporter ces avantages à un collisionneur de particules de nouvelle génération pour la physique des hautes énergies. L'une des clés pour augmenter leur énergie de faisceau de particules au-delà du record actuel de 8 milliards d'électrons-volts (GeV) est l'utilisation de canaux d'accélération plus longs; un autre est "mise en scène, " ou l'utilisation de la sortie d'un module d'accélération comme entrée d'un autre. Vérifier la qualité du canal plasma où l'accélération a lieu - et la cohérence et la reproductibilité de cette qualité - donne un vote de confiance dans la base technologique de ces des plans.
En plus de montrer que ce guide d'ondes capillaire est de qualité élevée et constante, ce travail a impliqué des guides d'ondes deux fois plus longs que celui utilisé pour atteindre une énergie record. "Les guides d'ondes de précision de 40 centimètres de long que nous avons maintenant développés pourraient pousser ces énergies encore plus haut, " dit Turner.
