Sebagai sumber energi yang unik, laser super memainkan peran kunci dalam banyak aspek seperti penelitian ilmiah, industri, dan kedokteran. Untuk mendapatkan pulsa laser intensitas tinggi, balok umumnya menyatu dengan ukuran yang sangat kecil di ruang angkasa, dan setelah konvergen, mereka akan dengan cepat menyimpang karena efek difraksi. Namun, di daerah seperti laser wakefield acceleration, laser diperlukan untuk mempertahankan intensitas cahaya yang tinggi pada jarak yang cukup jauh. Sebuah studi yang dipimpin oleh Marlene Turner, seorang ilmuwan di Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), meluas ke bidang ini.
Dalam akselerasi wakefield laser, laser bertenaga super digunakan untuk merangsang gelombang elektrostatik dalam plasma, dan partikel bermuatan dapat dipercepat dalam gelombang elektrostatik, mirip dengan berselancar di laut. Fitur yang paling istimewa dari jenis akselerator ini adalah bahwa jarak akselerasi yang diperlukan untuk partikel bermuatan untuk mendapatkan sejumlah energi ribuan kali lebih pendek daripada metode akselerasi tradisional. Namun, jika sinar laser tidak dipandu, itu akan menyebar segera setelah fokus, sangat mengurangi intensitas pulsa laser dan jarak akselerasi yang dapat mendorong medan bangun intensitas tinggi. Oleh karena itu, memperpendek jarak akselerasi akan menyebabkan partikel tidak mendapatkan energi percepatan terbaik.
Untuk pulsa intensitas rendah, solusi untuk difraksi adalah kaca serat optik, yang dapat memandu sinar laser selama ribuan kilometer, tetapi laser intensitas tinggi dapat merusak serat optik. Dalam sebuah artikel dalam edisi kedua High Power Laser Science and Engineering 2021, Profesor Marlene Turner dan yang lainnya mempelajari serat plasma yang digunakan untuk laser bertenaga super. Plasma dapat mengurangi efek difraksi dan memandu sinar laser untuk memperpanjang jarak transmisi intensitas tinggi. . Tim peneliti menunjukkan kapiler debit berkualitas tinggi terpanjang 40 cm hingga saat ini.
Bagaimana waveguide plasma memandu laser? Lensa atau serat optik dapat membelokkan cahaya laser melalui distribusi indeks bias terkuat di tengah. Untuk plasma, itu dicapai dengan distribusi kerapatan elektron terendah di pusat. Secara bertahap meningkatkan distribusi kerapatan elektron ke arah radial menyebabkan peningkatan bertahap dalam indeks bias ke arah radial, yang seperti lensa bertenaga super atau tabung laser untuk laser berdaya tinggi.
Bagaimana plasma seperti itu bisa dihasilkan? Sejumlah teknologi telah diterapkan sejauh ini. Dalam makalah ini, para peneliti menggunakan tabung kapiler safir berisi gas dengan elektroda yang terhubung ke kedua ujungnya. Plasma dihasilkan oleh debit tegangan tinggi. Arus pembuangan memanaskan plasma dan mendinginkannya di dekat dinding tabung, membuat suhu lebih dekat ke dinding tabung lebih rendah. Karena tekanan udara seimbang, kerapatan elektron dari pusat ke ujung secara bertahap meningkat, yang menghasilkan waveguide super kuat untuk membimbing sinar laser.
Tidak seperti lensa kaca statis atau serat optik, waveguide plasmonik didirikan kembali setiap pulsa. Oleh karena itu, para peneliti mempelajari secara rinci perubahan parameter setiap debit dan menunjukkan stabilitas dan pengulangan yang sangat baik. Hal ini sangat penting untuk sinar percepatan dengan perubahan multi-parameter dalam percepatan bidang laser wake. Para peneliti menemukan bahwa perubahan parameter waveguide dalam proses pelepasan yang berbeda kurang dari 1%, dan distribusi kepadatan di setiap saluran sangat dekat. Ini berarti bahwa setiap pulsa laser akan melakukan perjalanan dengan cara yang sama di sepanjang jalur yang sama di waveguide.
"Pekerjaan ini menunjukkan bahwa tabung kapiler dapat menghasilkan plasma yang sangat stabil, yang menunjukkan bahwa fluktuasi yang diamati dalam kinerja akselerator terutama disebabkan oleh fluktuasi penggerak laser, dan kontrol umpan balik laser yang sangat instan diperlukan untuk memastikan stabilitas." Teknologi akselerator LBNL California Dr. Cameron Geddes, Direktur Departemen Fisika Terapan, memberikan komentar di atas tentang pekerjaan ini.
Kontrol yang tepat dari bentuk lensa kaca menentukan kinerja optik, tetapi merupakan tantangan untuk mengontrol plasma ke tingkat yang sama. Idealnya, distribusi kerapatan elektron adalah parabola, tetapi sebenarnya itu bukan lagi parabola yang jauh dari sumbu saluran. Para peneliti menemukan bahwa ini sangat penting dalam plasma sebagai sistem teleskop untuk meningkatkan titik fokus sinar. Melalui kontrol yang sangat tepat, para peneliti dalam makalah ini menggunakan plasma parabola yang didistribusikan di dekat titik fokus laser untuk memandu laser, sehingga kualitas sinar tidak akan berkurang selama propagasi sinar. Debit kapiler waveguide telah memperoleh elektron berenergi tinggi dalam akselerator laser wakefield. Waveguide sepanjang 40 cm yang dikembangkan oleh tim peneliti diharapkan dapat mendorong energi cut-off ke tingkat yang lebih tinggi.
