美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心开发并测试了一种创新的光学系统，能够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——不会中断或干扰光束。新系统将帮助整个科学领域的用户充分利用高功率激光器。
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。剑桥大学出版社最近发表的一篇论文《高功率激光科学与工程》中描述了她的发现。
伯克利实验室加速器技术和应用物理 (ATAP) 部门主管 Cameron Geddes 说：“这是测量和控制方面的巨大进步，将使全球高功率激光设施受益。” BELLA 中心是该部门的一部分。
无干扰测量
人们认为激光非常精确，但要求苛刻的应用程序的用户知道，即使是最受控制的实验室环境，激光束也会以微小的尺度移动以响应振动和可变性。
Isono 说：“少少几微米的目标就会在惊人的科学和不必要的背景噪音之间产生差异。”
小于千分之一度的指向角偏移也会导致不必要的复杂性。这就是诊断传感器和反馈系统发挥作用的地方。
在不截断光束的情况下准确测量这些参数是诀窍。传统方法要么通过拦截其脉冲(无论如何这对于强、高功率光束来说都是困难的)而大大削弱光束的功率，要么因为它们没有准确地测量传送的光束而导致不准确。BELLA 中心的创新方法包括分离和监控主光束的低功率精确副本，从光束线中专门设计的最终光学器件的后表面反射。
这种新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，所有脉冲都遵循相同的路径。其次，光束线设计经过优化，以保持高功率和低功率脉冲的大小和发散度匹配。最后，它用创新的楔形反射器取代了其中一个反射光束线反射镜，该反射器的前后表面均具有特殊涂层。
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。一小部分光束，可能代表输入功率的 1%，通过前表面传播并从后表面反射。这种“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。最终结果是目击光束的指向角和横向位置与主光束的指向角和横向位置高度相关。
Isono 说，结果是“不会干扰主激光束的测量，但非常准确地告诉我们它。”
对 BELLA 中心及其他地区的好处
近期的目标是将此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。BELLA 中心对 100 太瓦激光器的初步研究很有希望。该手稿阐述了通过主动稳定低功率 1 kHz 激光脉冲序列来消除高功率 5 Hz 激光抖动的前景。观察到激光束振动和运动发生在几十赫兹的范围内，这完全在实际反馈系统的范围内。高功率激光脉冲传输的位置和角度有望提高五倍。
激光等离子体粒子加速器 (LPA) 的开发是 BELLA 中心的主要任务，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，从而有望为各种应用提供下一代更紧凑、更实惠的加速器。由于 LPA 在细空心管或“毛细管”内执行加速，因此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。
伯克利实验室创新的核心是楔形光学器件，前表面反射率 99% 的主光束，楔形后表面反射低功率目击光束。两束反射光束沿着几乎相同的路径在几乎相同的距离聚焦，因此目击光束与主光束经历相同的运动。(来源：伯克利实验室)
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 (LPA) 为自由电子激光器 (FEL) 提供电子束 - 一种能以远高于可见光。
“波动器是 FEL 的核心磁性阵列，对电子束接受度有非常严格的要求，这与 LPA 驱动激光指向角和横向波动直接相关，”Isono 说。
拟议的 kBELLA 是一种将高功率与千赫兹重复率相结合的下一代激光系统，将是另一个可能的应用。
预计全球激光实验室会对此感兴趣。“这项工作不仅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社区的特定需求，即在没有显着干扰的情况下证明高功率脉冲的相关低功率副本。任何需要将高功率激光束以一定精度传送到任何应用的任何地方，这种诊断都会产生很大的不同。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。”
除了高能物理办公室和戈登和贝蒂摩尔基金会之外，这项工作还得到了美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室的支持，通过早期职业研究计划资助 Jeroen van Tilborg。
