美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的伯克利实验室激光加速器 (BELLA) 中心开发并测试了一种光学系统，该系统可以在不中断或不干扰高功率激光束的情况下，以前所未有的精确度精确地测量和控制光束的位置和指向角。

       高要求的激光应用需要高水平的精度；即使在控制最严格的实验室环境中，激光束也会对振动和可变性做出微小的反应。加州大学伯克利分校的博士研究生、论文的第一作者 Fumika Isono 说：“哪怕只差几微米，就会造成惊人的科学发现和不必要的背景噪音之间产生的差异。”
 

 

 

伯克利实验室博士生 Fumika Isono（中）、BELLA 中心副主任 Jeroen van Tilborg（右）和研究科学家 Sam Barber 在 BELLA 中心的 100 TW 级激光器上设置了一项新的激光稳定实验。由玛丽莲·萨金特/伯克利实验室提供。

 

       此外，小于千分之一度的指向角偏移会导致不必要的复杂性。

       在不截取光束的情况下精确测量这些参数的传统方法，要么会因为截取脉冲而大大削弱光束的功率，要么会因为不能准确地测量传输的光束而产生误差。

       BELLA 中心开发的方法包括分离和监控主光束的低功率精确副本，该副本从光束线中专门设计的最终光学元件的后表面反射。

       该方法的核心是具有三个关键属性的激光架构。首先，它每秒同时提供五个高功率脉冲和一千个低功率脉冲。这些脉冲都沿着相同的路径。其次对光束线进行优化，以保持高功率和低功率脉冲的大小和发散度相匹配。

       最后，该方法用创新的楔形反射镜替换了其中一个光束线反射镜，这种反射镜前后表面均带有特殊涂层。

       几乎所有的主光束都被光学元件的前表面反射，而不会受到明显影响。约占输入功率的 1%的一小部分被称为“见证光束”，通过前表面传播并从后表面反射。见证光束几乎与主光束平行地穿过任何后续光学器件，只需足够的转向即可轻松放置测量仪器。

       最终结果是一束具有指向角和横向位置与主光束高度相关的见证光束。

       根据 Isono 的说法，这建立了一种不会干扰主激光束的测量方法，但它可以非常准确地告诉使用者。

       研究小组希望将诊断用作反馈系统的一部分以主动稳定激光器的横向位置和指向角度。该团队报告说，BELLA的100-TW 激光器上的初步研究很有希望。根据这项工作，可以通过主动稳定低功率 1 kHz 激光脉冲串来消除高功率 5 Hz 激光的抖动。观察到激光束的振动和运动发生在实际反馈系统的几十赫兹范围内。该团队预计高功率激光脉冲传输的位置和角度将提高五倍。

高功率潜力 

       研究人员表示近期的目标是将诊断作为反馈系统的一部分以主动稳定激光器的横向位置和指向角度；他们报告说，BELLA 中心的 100-TW 激光器上进行的初步研究很有希望。他们的论文介绍了通过主动稳定低功率 1kHz 激光脉冲序列来消除高功率 5Hz 激光抖动的前景。

       BELLA 中心的主要任务是开发激光等离子体粒子加速器 (LPA) ，它体现了这一创新的潜在好处。LPA 产生超高电场可以非常迅速地加速带电粒子，从而为下一代更紧凑、更廉价的加速器提供了广阔的应用前景。

       由于 LPA 是在薄空心管或“毛细管”内执行加速，因此它们将极大地受益于驱动激光束位置和指向角度的改进控制。

       BELLA 中心的一个直接应用是使用 LPA 为自由电子激光器 (FEL) 提供电子束，自由电子激光器是一种可以产生比可见光能量高得多、波长短得多的光子脉冲装置。 

       Isono 说“波荡器是 FEL 的核心磁性阵列，与 LPA 驱动激光指向角和横向波动直接相关，对电子束接受度有非常严格的要求。”

       提出的下一代激光系统kBELLA将结合高功率和千赫兹重复频率，这将是另一个可能的应用。

       BELLA 中心主任 Eric Esarey 说“这项工作并不局限于激光等离子体加速，它解决了整个高功率激光团体的特定需求，即证明高功率脉冲的相关低功率副本没有显著的干扰。任何需要将高功率激光束以一定精度传送到任何应用的地方，这种诊断将产生很大的影响。想想激光粒子碰撞实验，或者激光与毛细管或液滴等微米精度目标的相互作用。”

       这项工作得到了美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室、高能物理办公室以及戈登和贝蒂摩尔基金会的支持。

该研究发表在《 High Power Laser Science and Engineering》 ( www.doi.org/10.1017/hpl.2021.12 ）。

 

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