Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (США) разработали новую систему, способную конденсировать многопетаваттный лазер через сеть передачи плазмы. Сверхбыстрый и в тысячи раз более мощный, чем существующие лазерные системы того же размера, новый прототип может преодолеть их ограничения — обычные твердотельные устройства имеют тенденцию быстро разрушаться при слишком большой мощности.
Исследователи обратились к устройству на основе плазмы, поскольку оно может направлять световые пучки очень высокой энергии без ущерба для здоровья. Однако для работы системы на полную мощность остается еще одна проблема: однородность плазмы. На самом деле, могут потребоваться годы исследований, прежде чем появится жизнеспособное устройство.
Наиболее эффективные лазерные системы оснащены пропускающими решетками, обычно изготовленными из отражающих материалов, таких как кремнезем с золотым покрытием. Этот же исследовательский институт ранее разработал систему с использованием таких материалов, включая самую большую в мире дифракционную решетку, способную выдавать петаваттные импульсы мощностью 500 джоулей. Эти мощные системы имеют большие передающие решетки и стреляют пучками мощностью около десяти петаватт в течение одной квадриллионной доли секунды.
Для достижения такой же мощности (несколько петаватт или эксаватт) в течение длительного периода времени такие системы будут потреблять слишком много энергии и могут разрушиться из-за превышения пределов флюенса (плотности энергии) твердых оптических линз.
По словам авторов нового исследования, опубликованного в журнале APS Physics, мощность и размер лазера зависят от способности его компонентов выдерживать луч без повреждений. Например, стеклянная оптика должна быть достаточно большой, чтобы отводить достаточно тепла, чтобы не разрушиться от слишком мощного лазерного луча. Ограничение повреждений также достигается за счет процесса, называемого дифракцией чирпированного импульса, который растягивает лазерный луч, усиливает его, а затем сжимает. Плазма может поддерживать пучки большей мощности с решеткой того же размера или столь же мощные пучки с решеткой диаметром 1,5 миллиметра.
"Энергия лазера распределяется таким образом, чтобы поддерживать низкую локальную интенсивность. Поскольку плазма более устойчива к оптическим повреждениям, чем, например, кусок стекла, мы можем представить себе создание лазера, который производит в сотни или тысячи раз больше энергии, чем существующая система, не увеличивая ее размеров", — пояснил в своем заявлении Мэтью Эдвардс, соавтор нового исследования и доцент машиностроения в Стэнфордском университете.
Новый лазер состоит из передающей решетки, которая проецирует лазерные лучи в газ для создания специальных узоров и получения максимально однородной плазмы. Проходя через него, световые импульсы становятся более концентрированными, быстрыми и мощными.
Плазма, представляющая собой жидкую смесь ионов и свободных электронов, подходит для лазеров с высокой частотой повторения и средней мощностью. Новая лазерная система будет сопоставима по размерам со знаменитым L3 HALPS, но с пиковой мощностью в 100 раз больше. Этот лазер способен вырабатывать 30 джоулей энергии в течение 30 фемтосекунд. Поэтому новая система могла работать с частотой 10 Герц, но еще не могла поддерживать лазер средней мощности с непрерывной волной. Кроме того, система плазменной оптики ограничена в сжатии мощных импульсов, поскольку было бы очень трудно создать большую область плазмы, достаточно однородную для получения линейных волн.
"Трудно сделать их достаточно однородными, чтобы колебания температуры и плотности были достаточно малы", — говорит Эдвардс.
Однако исследователи считают, что их новая система сможет обеспечить такую степень стабильности, которую не смогут обеспечить другие механизмы сжатия на основе плазмы. Этот результат стал бы возможен, поскольку система нуждается только в газе в качестве исходной среды и менее чувствительна к изменениям в условиях плазмы. Плазма также должна занимать небольшой объем, чтобы быть достаточно однородной.
В ближайшем будущем исследовательская группа планирует испытать свою систему на базе меньшей, но столь же мощной версии современных высокоэнергетических лазеров.