作者:威廉·舒尔茨，劳伦斯·伯克利国家实验室
伯克利实验室科学家周统正在进行光纤激光器组合实验
一个正在进行的多机构项目将快速脉冲但低能量的光纤激光器的输出连贯地结合起来，这可能是同时拥有高能量和高重复率的秘密——激光等离子加速器下一步的关键
学分:玛丽莲·萨金特/伯克利实验室 美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)正在进行激光等离子体粒子加速器(LPAs)开发的下一阶段，LPAs是可能改变研究和实际应用游戏规则的工具
一种新的高功率激光方法——将许多快速工作但能量较低的光纤激光器的脉冲结合起来——将为这些超小型加速器提供能量
伯克利实验室的研究人员已经瞄准了LPA发展努力的局限性，并相信他们已经找到了光纤激光器的新发展道路
伯克利实验室加速器技术和应用物理(ATAP)部门主任Cameron Geddes表示，“随着最近在光纤激光器和激光等离子体加速器方面的所有技术突破，是时候将它们结合起来——开发下一代紧凑且精度可控的加速器，可用于广泛的应用领域
" 小就是新的大 伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心是其中的领导者，LPAs是一种极其紧凑的粒子加速方法，以实现传统技术需要几十米的厘米级粒子能量而闻名
传统的加速器在共振金属腔中使用微波来给亚原子粒子束赋予高能量
除了在医学、工业加工和国家安全方面的大量实际应用之外，这种成熟的技术可以采取几种圆形或线性形式，使加速器成为科学发现的强大引擎
然而，它们中的许多都很大而且成本很高
LPA提供了另一种加速和提高粒子能量的方法
不是使用微波，而是通过气体发射的强激光束会产生等离子波，带电粒子可以像冲浪运动员一样骑行
从根本上来说，LPA比目前实现相同束流能量的手段要小，在许多应用中都很有吸引力，从生物医学治疗到自由电子激光研究中心，再到核不扩散
最终，它们甚至可能成为新一代高能物理对撞机的基础，其数量级比今天的还要小
LPA已经被成功地证明(BELLA中心保持着记录，将电子加速到7的能量
80亿电子伏特，但它们需要高激光功率
像BELLA Petawatt这样的激光在极短的时间内产生的输出相当于整个世界电网的输出，聚焦成一个人发直径的脉冲
然而，它每秒钟只能发出一次脉冲
有用的应用将需要以更频繁的脉冲传送高激光功率
这就是新的光纤激光项目的由来
将激光束组合在一起，使它们真正像一束强大的光束，这是一个挑战
最近开始的这个项目由伯克利实验室ATAP部门的科学家周领导，部分得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持，其下一步将建立在现有的空间合成以及掺杂光纤放大工作的基础上
光谱光束合成(周早期职业生涯研究项目的主题，该项目由美国能源部高能量物理科学办公室颁发)和时间叠加是从光纤激光器产生高功率千赫光束的其他正在进行的工作
荣誉:拉塞尔·威尔科克斯，周统，阿尔曼塔斯·加尔瓦纳纳斯卡斯，卡梅隆·格德斯 激光团队合作意味着强大的脉冲 光纤激光器(基于类似于电信和计算机网络中常见的光纤，但设计用于最佳激光发射)速度快，但体积小
每根光纤提供的通道不比人的头发宽，只能发射这么多的能量
目前正在进行的项目——建立在伯克利实验室、密歇根大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室几年的基础之上——将进一步开发一个名为“相干光束合成”的方案
“目标是脉冲能量足以驱动一辆LPA，但每秒传送一千次
这个新项目由伯克利实验室研究员周统领导
从事光纤激光器开发的伯克利实验室团队成员还包括拉塞尔·威尔科克斯、强杜、托尔斯滕·斯特泽尔伯格和耶鲁安·范·蒂尔博格
阿尔曼塔斯·加尔瓦那纳斯卡斯和他在密歇根大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的学生也在这个项目中扮演了重要角色
总体努力继续建立在几年的进展基础上，包括空间、时间和光谱组合，以保持“相干性”(激光光束的一种独特品质，是低功率放大器所必需的)
它旨在将许多光纤中功率相对较低的脉冲束合成30-50飞秒长、200毫焦耳的脉冲，峰值功率远大于1太瓦
这将是有史以来从光纤激光器获得的最高能量和峰值功率，足以证明激光等离子体加速
“与传统激光器相比，它们的功耗将得到改善，散热能力也非常出色，解决了制造高功率激光器的其他挑战，”周说
长期目标是高能物理对撞机
为了这些目的，LPA需要短脉冲(每个脉冲30到100飞秒)的10焦耳量级的激光能量，重复率大于每秒10，000个脉冲——这些规格远远超出了现有的激光技术
光纤激光器是解决这一问题的一个很有前途的候选方案，同时可以为低功率放大器的许多附带应用提供动力
在一个系统中，功率并不是唯一重要的东西，该系统必须将细如头发的光束传输到内径仅比它大几倍的毛细管中
指向角度和位置等属性的精确控制的测量和主动反馈是BELLA中心补充工作的主题
机器学习正在成为一种重要的控制技术
格德斯说:“我们不仅想建立一个能创造功率和能量记录的激光系统，还想建立最先进的控制，然后用它来实现世界上第一个高平均功率、高重复率的激光驱动加速器。”
这样一个系统，以千赫重复频率相干合成来自许多光纤激光器的超短脉冲，是kBELLA激光技术的领跑者，kBELLA是伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心LPA驱动器的下一代
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