创新的光学系统可最大限度地利用高功率激光器

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的伯克利实验室激光加速器中心已经开发并测试了一个创新的光学系统，以前所未有的精度精确测量和控制高功率激光束的位置和指向角度--而不会中断或干扰激光束。这个新系统将帮助整个科学界的用户最大限度地利用高功率激光器。

这项实验验证工作由伯克利实验室和加州大学伯克利分校的博士生Fumika Isono领导。她的研究结果在剑桥大学出版社期刊《高功率激光科学与工程》最近发表的一篇论文中有所描述。 

伯克利实验室加速器技术和应用物理部（ATAP）主任Cameron Geddes说：“这是测量和控制方面的一个巨大进步，将使全世界的高功率激光设施受益。”BELLA中心是该部门的一部分。

无干扰的测量

一些有苛刻应用要求的用户知道，激光束在极小的范围内移动，以响应即使是最受控的实验室环境的振动和变化性。Isono说：“错过目标只要几微米，就可以使惊人的科学和背景噪音的不必要的补充之间产生差异。”微小的指向性偏移也会导致不必要的复杂情况。这就是诊断传感器和反馈系统发挥作用的地方。

在不拦截光束的情况下准确地测量这些参数是关键所在。传统的方法要么是通过拦截光束的脉冲来大大降低光束的功率（这对于高强度、高功率的光束来说是很困难的），要么是由于没有准确地测量所传递的光束而出现误差。BELLA中心的创新方法包括分割和监测主光束的低功率精确副本，该副本从光束线中一个特别设计的最终光学元件的后表面反射出来。

这种新方法的核心是一个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，所有这些脉冲都遵循相同的路径。其次，光束线的设计经过优化，使高功率脉冲和低功率脉冲的大小和发散度相匹配。最后，它用一个创新的楔形反射镜取代了其中一个反射光束线镜，该反射镜的前表面和后表面都有特殊涂层。

几乎所有的主光束都从光学元件的前表面反射出来，而不会受到其他明显的影响。一小部分光束（可能占输入功率的1%）通过前表面传播并从后表面反射出去。这个"见证光束"几乎与主光束平行地通过任何后续的光学器件，并有足够的分流以方便测量仪器的放置。最终的结果是，见证光束的指向角度和横向位置与主光束高度相关。

Isono说，其结果是 “一个不会干扰主激光束的测量，但又非常准确地告诉我们它的情况”。

对BELLA中心和其他地方的好处

研究人员一个近期的目标是将这种诊断方法作为反馈系统的一部分，用于主动稳定激光的横向位置和指向角度。在BELLA中心用100 terawatt的激光器进行的初步研究是有希望的。该手稿阐述了通过主动稳定低功率1 kHz的激光脉冲序列来消除高功率5 Hz 激光器的抖动的前景。 观察到激光束的振动和运动发生在几十赫兹的规模上，这完全在实用反馈系统的范围内。预计高功率激光脉冲传输的位置和角度会有五倍的改善。

激光等离子体粒子加速器（LPAs）的开发是BELLA中心的主要任务，它体现了这种创新的潜在好处。LPAs产生超高的电场，可以非常迅速地加速带电粒子，从而为下一代更紧凑、更实惠的加速器提供了希望，可用于各种应用。由于LPA是在一个薄的空心管或“毛细管”内进行加速，它们将大大受益于对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激光驱动的等离子体加速器为自由电子激光器（FEL）提供电子束--该设备可产生比可见光能量高得多、波长短得多的明亮光子脉冲。

Isono说：“波荡器，即位于FEL核心的磁阵，对电子束的接受有非常严格的要求，这直接关系到LPA驱动激光的指向角度和横向波动。”

拟议中的kBELLA是下一代激光系统，它将结合高功率和千赫兹重复率，将是另一个可能的应用。“这项工作并不局限于激光等离子体加速，”BELLA中心主任Eric Esarey说。“它解决了整个高功率激光界的一个具体需求，即证明高功率脉冲的相关低功率拷贝，而没有明显的干扰。在任何需要将高功率激光束以一定的精度传递到任何应用的地方，这个诊断器都会带来很大的变化。想想激光粒子碰撞实验，或激光与微米级精度目标的相互作用。”