Là một nguồn năng lượng độc đáo, siêu laser đóng một vai trò quan trọng trong nhiều khía cạnh như nghiên cứu khoa học, công nghiệp và y học. Để có được các xung laser cường độ cao, các chùm tia thường hội tụ đến một kích thước rất nhỏ trong không gian, và sau khi hội tụ, chúng sẽ nhanh chóng phân kỳ do hiệu ứng nhiễu xạ. Tuy nhiên, trong các lĩnh vực như tăng tốc wakefield laser, laser được yêu cầu để duy trì cường độ ánh sáng cao trên một khoảng cách đáng kể. Một nghiên cứu do Marlene Turner, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL), mở rộng sang lĩnh vực này.
Trong gia tốc wakefield laser, laser siêu năng lượng được sử dụng để kích thích sóng tĩnh điện trong plasma và các hạt tích điện có thể được tăng tốc trong sóng tĩnh điện, tương tự như lướt sóng trên biển. Điểm đặc biệt nhất của loại máy gia tốc này là khoảng cách tăng tốc cần thiết cho các hạt tích điện để có được một lượng năng lượng nhất định ngắn hơn hàng ngàn lần so với các phương pháp tăng tốc truyền thống. Tuy nhiên, nếu chùm tia laser không được hướng dẫn, nó sẽ phân tán ngay sau khi lấy nét, làm giảm đáng kể cường độ của xung laser và khoảng cách gia tốc có thể điều khiển trường đánh thức cường độ cao. Do đó, việc rút ngắn khoảng cách gia tốc sẽ khiến các hạt không có được năng lượng tăng tốc tốt nhất.
Đối với các xung cường độ thấp, giải pháp nhiễu xạ là kính sợi quang, có thể dẫn dắt chùm tia laser trong hàng ngàn km, nhưng laser cường độ cao có thể làm hỏng sợi quang. Trong một bài báo trên số thứ hai của Khoa học và Kỹ thuật Laser Công suất cao 2021, Giáo sư Marlene Turner và những người khác đã nghiên cứu sợi plasma được sử dụng cho laser siêu năng lượng. Plasma có thể làm giảm hiệu ứng nhiễu xạ và hướng dẫn chùm tia laser mở rộng khoảng cách truyền cường độ cao. . Nhóm nghiên cứu cho thấy mao mạch xả chất lượng cao dài nhất 40 cm cho đến nay.
Làm thế nào để ống dẫn sóng plasma hướng dẫn laser? Ống kính hoặc sợi quang có thể làm chệch hướng ánh sáng laser thông qua phân bố chỉ số khúc xạ mạnh nhất ở trung tâm. Đối với plasma, nó đạt được bằng sự phân bố mật độ electron thấp nhất ở trung tâm. Dần dần tăng sự phân bố mật độ electron theo hướng xuyên tâm dẫn đến sự gia tăng dần dần chỉ số khúc xạ theo hướng xuyên tâm, giống như một ống kính siêu năng lượng hoặc ống laser cho laser công suất cao.
Làm thế nào một plasma như vậy có thể được tạo ra? Một số công nghệ đã được triển khai cho đến nay. Trong bài báo này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một ống mao mạch sapphire chứa đầy khí với các điện cực được kết nối với cả hai đầu. Plasma được tạo ra bởi xả điện áp cao. Dòng xả làm nóng plasma và làm mát nó gần thành ống, làm cho nhiệt độ gần thành ống thấp hơn. Bởi vì áp suất không khí được cân bằng, mật độ electron từ trung tâm đến đầu tăng dần, dẫn đến một ống dẫn sóng siêu mạnh để hướng dẫn chùm tia laser.
Không giống như một ống kính thủy tinh tĩnh hoặc sợi quang, ống dẫn sóng plasmonic được thiết lập lại mọi xung. Do đó, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu chi tiết những thay đổi thông số của mỗi lần xả và chứng minh sự ổn định và khả năng lặp lại tuyệt vời. Điều này rất quan trọng đối với chùm tia tăng tốc với những thay đổi đa thông số trong việc tăng tốc của trường đánh thức laser. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự thay đổi của các thông số ống dẫn sóng trong các quá trình xả khác nhau là dưới 1%, và sự phân bố mật độ trong mỗi kênh là rất gần. Điều này có nghĩa là mỗi xung laser sẽ di chuyển theo cùng một cách dọc theo cùng một con đường trong thống tạo sóng.
"Công việc này cho thấy ống mao mạch có thể tạo ra plasma rất ổn định, điều này chỉ ra rằng những dao động quan sát được trong hiệu suất máy gia tốc chủ yếu là do sự dao động của ổ laser và kiểm soát phản hồi laser rất tức thì là cần thiết để đảm bảo sự ổn định." Công nghệ tăng tốc LBNL california, Tiến sĩ Cameron Geddes, Giám đốc Khoa Vật lý Ứng dụng, đã đưa ra những nhận xét trên về công trình này.
Việc kiểm soát chính xác hình dạng của ống kính thủy tinh xác định hiệu suất quang học, nhưng đó là một thách thức để kiểm soát plasma ở cùng mức. Lý tưởng nhất, sự phân bố mật độ electron là parabol, nhưng trên thực tế nó không còn là một parabol cách xa trục của kênh. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng điều này rất quan trọng trong plasma như một hệ thống kính viễn vọng để tăng điểm tiêu cự của chùm tia. Thông qua điều khiển rất chính xác, các nhà nghiên cứu trong bài báo này sử dụng plasma parabol phân bố gần vị trí tiêu cự của laser để hướng dẫn laser, do đó chất lượng của chùm tia sẽ không giảm trong quá trình lan truyền chùm tia. Ống dẫn mao mạch phóng đã thu được các electron năng lượng cao trong máy gia tốc wakefield laser. Đường dẫn sóng dài 40 cm được phát triển bởi nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ đẩy năng lượng bị cắt lên mức cao hơn.
