Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (США) создали новую систему для конденсирования многопетаваттного лазера через сеть передачи плазмы. Новый прототип в тысячи раз мощнее существующих лазерных систем аналогичных размеров и не разрушается при высокой мощности, так как использует устройство на основе плазмы вместо твердотельных. Плазма может направлять световые пучки высокой энергии без вреда для здоровья. Для полной работоспособности системы нужно добиться однородности плазмы, что может занять годы исследований.
Самые эффективные лазерные установки комплектуются пропускающими решетками, обычно изготавливаемыми из отражающих материалов, например, кремнезема с золотым покрытием. В этом же исследовательском институте ранее разработали систему с использованием таких материалов, включая самую крупную в мире дифракционную решетку, генерирующую петаваттные импульсы мощностью 500 джоулей. Эти мощные системы имеют большие передающие решетки и создают пучки мощностью около десяти петаватт за одну квадриллионную долю секунды.
Такие системы для достижения мощности в несколько петаватт или эксаватт на продолжительное время потребуют огромного количества энергии и могут выйти из строя из-за перегрузки по плотности энергии у твердых оптических линз.
Авторы свежего исследования, изданного в журнале, утверждают… Мощность и размер лазера определяются способностью его компонентов выдерживать луч без разрушений. Например, стеклянная оптика должна иметь достаточный размер для отвода тепла и предотвращения разрушения под воздействием мощного лазерного луча. Ограничение повреждений также обеспечивается за счёт дифракции чирпированного импульса: он растягивает, усиливает и затем сжимает лазерный луч.
Плазма способна удерживать более мощные лучи при том же размере решётки или лучи той же мощности при решётке диаметром 1,5 миллиметра. Лазерная энергия распределяется для поддержания низкой локальной интенсивности. Из-за большей устойчивости плазмы к оптическим повреждениям по сравнению с предметом, вроде стекла, можно представить лазер, вырабатывающий в сотни или тысячи раз больше энергии существующей системы без увеличения размеров. — разъяснил в своем заявлении Мэтью Эдвардс, соавтор нового исследования и доцент машиностроения в Стэнфордском университете.
Новый лазер включает передающую решетку, формирующую лазерные лучи в газе для образования особых узоров и создания максимально однородной плазмы. Световые импульсы, проходя через газ, становятся более концентрированными, быстрыми и мощными.
Плазма, жидкая смесь ионов и свободных электронов, подходит для лазеров высокой частоты повторения и средней мощности. Новая лазерная система будет по размерам сравнима с известным L3 HALPS, но с пиковой мощностью в сто раз больше. Этот лазер способен вырабатывать 30 джоулей энергии за 30 фемтосекунд. Поэтому новая система может работать с частотой 10 Герц, но пока не поддерживает лазер средней мощности с непрерывной волной.
Плазменная оптика не способна сжимать сильные импульсы из-за сложности создания большой области плазмы, которая была бы достаточным образом однородной для генерации линейных волн. Сделать их достаточно однородными, чтобы колебания температуры и плотности были малы, — сложное дело. «, — говорит Эдвардс.
Исследователи полагают, что их новая система обеспечит степень стабильности, недостижимую для других механизмов сжатия на основе плазмы. Такой результат возможен из-за того, что системе требуется только газ в качестве исходной среды и меньше внимания уделяется изменениям в условиях плазмы. Плазма должна занимать мало места, чтобы быть достаточно однородной.
В скором времени исследователи проведут испытания системы на основе уменьшенной, но не уступающей по мощности версии существующих лазерных установок.