La doctorante du Berkeley Lab Fumika Isono (au centre), le directeur adjoint du Centre BELLA Jeroen van Tilborg (à droite) et le chercheur Sam Barber ont mis en place une nouvelle expérience de stabilisation laser sur l’un des lasers de classe 100-TW du Centre BELLA. Crédit : Marilyn Sargent/Laboratoire de Berkeley
L’innovation optique de Berkeley Lab pourrait calmer les tremblements des lasers haute puissance
Le centre Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy a développé et testé un système optique innovant pour mesurer et contrôler avec précision la position et l’angle de pointage des faisceaux laser haute puissance avec une précision – sans interrompre ni perturber les faisceaux. Le nouveau système aidera les utilisateurs de toutes les sciences à tirer le meilleur parti des lasers à haute puissance.
L’effort de validation expérimentale a été dirigé par la doctorante Fumika Isono du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley. Ses découvertes sont décrites dans un article publié récemment par la revue Cambridge University Press, Science et ingénierie des lasers haute puissance.
« Il s’agit d’une avancée considérable en matière de mesure et de contrôle qui profitera aux installations laser haute puissance dans le monde entier », a déclaré Cameron Geddes, directeur de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP) de Berkeley Lab, dont le Centre BELLA fait partie.
Mesure sans perturbation
Les gens pensent qu’un laser est si précis qu’il passe dans le langage comme une métaphore, mais les utilisateurs avec des applications exigeantes savent que les faisceaux laser se déplacent à une échelle minuscule en réponse aux vibrations et à la variabilité de l’environnement de laboratoire le plus contrôlé.
« Manquer la cible de quelques microns seulement peut faire la différence entre une science étonnante et un ajout indésirable au bruit de fond », a déclaré Isono.
Des décalages d’angle de pointage de moins d’un millième de degré peuvent également entraîner des complexités indésirables. C’est là que les capteurs de diagnostic et les systèmes de rétroaction entrent en jeu.
L’astuce consiste à mesurer ces paramètres à la fois avec précision et sans intercepter le faisceau. Les méthodes traditionnelles sapent considérablement la puissance du faisceau en interceptant ses impulsions (ce qui est de toute façon difficile pour les faisceaux intenses et de forte puissance) ou souffrent d’imprécisions car elles ne mesurent pas le faisceau exactement tel qu’il est délivré. L’approche innovante du Centre BELLA consiste à séparer et à surveiller une copie exacte à faible puissance du faisceau principal, réfléchie par la surface arrière d’une optique finale spécialement conçue dans la ligne de faisceau.
Le cœur de cette nouvelle approche est une architecture laser avec trois attributs clés. Premièrement, il fournit simultanément cinq impulsions de forte puissance et un millier d’impulsions de faible puissance par seconde, toutes suivant le même chemin. Deuxièmement, la conception de la ligne de lumière est optimisée pour que les impulsions haute et basse puissance correspondent en taille et en divergence. Enfin, il remplace l’un des miroirs réfléchissants de la ligne de faisceau par un réflecteur en forme de coin innovant doté de revêtements spéciaux sur les surfaces avant et arrière.
La quasi-totalité du faisceau principal est réfléchie sur la surface avant de l’optique sans autrement être sensiblement affectée. Une infime partie du faisceau, représentant peut-être 1% de la puissance d’entrée, se propage à travers la surface avant et est réfléchie sur la surface arrière. Ce « faisceau témoin » traverse toutes les optiques ultérieures presque parallèlement au faisceau principal, avec juste assez de déviation pour un placement facile des instruments de mesure. Le résultat final est un faisceau témoin avec un angle de pointage et une position transversale fortement corrélés à ceux du faisceau principal.
Le résultat, a déclaré Isono, est “une mesure qui n’interfère pas avec le faisceau laser principal, mais qui nous en dit très précisément”.
Avantages pour le Centre BELLA et au-delà
Un objectif à court terme consiste à utiliser ce diagnostic dans le cadre d’un système de rétroaction pour la stabilisation active de la position transversale du laser et de l’angle de pointage. Les études préliminaires avec le laser de 100 térawatts au Centre BELLA sont prometteuses. Le manuscrit expose la possibilité de supprimer les instabilités sur le laser haute puissance 5 Hz en stabilisant activement le train d’impulsions laser basse puissance 1 kHz. La vibration et le mouvement du faisceau laser ont été observés sur une échelle de quelques dizaines de hertz, ce qui est bien dans la plage d’un système de rétroaction pratique. Une amélioration quintuple de la position et de l’angle de délivrance des impulsions laser haute puissance est attendue.
Au cœur de l’innovation Berkeley Lab se trouve une optique en forme de coin avec une surface avant réfléchissante à 99 % pour le faisceau principal et une surface arrière en coin pour refléter un faisceau témoin de faible puissance. Les deux faisceaux réfléchis sont focalisés à peu près à la même distance le long de chemins presque identiques, de sorte que le faisceau témoin subit les mêmes mouvements que le faisceau principal. Crédit : Berkeley Lab
Le développement du laserplasma les accélérateurs de particules (APL), qui est la mission principale du Centre BELLA, illustre le bénéfice potentiel de cette innovation. Les LPA produisent des champs électriques ultra-élevés qui accélèrent très rapidement les particules chargées, offrant ainsi la promesse d’une prochaine génération d’accélérateurs plus compacts et plus abordables pour une grande variété d’applications. Étant donné que les LPA effectuent leur accélération dans un tube creux mince, ou « capillaire », ils bénéficieraient grandement d’un meilleur contrôle de la position du faisceau laser d’entraînement et de l’angle de pointage.
Une application immédiate au Centre BELLA est l’utilisation d’un accélérateur de plasma à commande laser (LPA) pour fournir des faisceaux d’électrons à un laser à électrons libres (FEL) – un dispositif qui produit des impulsions photoniques lumineuses à une énergie beaucoup plus élevée et à une longueur d’onde plus courte que lumière visible.
“L’onduleur, le réseau magnétique au cœur du FEL, a des exigences très strictes sur l’acceptation du faisceau d’électrons, qui est directement liée à l’angle de pointage du laser du lecteur LPA et aux fluctuations transversales”, a déclaré Isono.
Le kBELLA proposé, un système laser de nouvelle génération qui combinera une puissance élevée avec un taux de répétition en kilohertz, sera une autre application probable.
L’intérêt des laboratoires laser du monde entier est attendu. “Ce travail ne se limite pas à l’accélération laser-plasma”, a déclaré Eric Esarey, directeur du centre BELLA. « Il répond à un besoin spécifique de la communauté des lasers à haute puissance, à savoir, prouver une copie corrélée à faible puissance de l’impulsion à haute puissance sans interférence significative. Partout où un faisceau laser de haute puissance doit être livré avec une certaine précision à n’importe quelle application, ce diagnostic va faire une grande différence. Pensez aux expériences de collision laser-particule ou aux interactions laser avec des cibles de précision micrométrique telles que des capillaires ou des gouttelettes.
Référence : « Diagnostic de délivrance de laser non perturbatif à haute puissance au foyer final d’impulsions laser de classe 100-TW » par Fumika Isono, Jeroen van Tilborg, Samuel K. Barber, Joseph Natal, Curtis Berger, Hai-En Tsai, Tobias Ostermayr, Anthony Gonsalves, Cameron Geddes et Eric Esarey, 26 mai 2021, Science et ingénierie des lasers haute puissance.
DOI : 10.1017/hpl.2021.12
Le travail a été soutenu par le DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, grâce à une subvention du programme de recherche en début de carrière à Jeroen van Tilborg, en plus du Office of High Energy Physics et de la Gordon and Betty Moore Foundation.
