211service.com
Bygger världens mest kraftfulla laser
I mars, forskare vid Nationell tändningsanläggning demonstrerade en 1,1 megajoule laser designad för att antända kärnfusionsreaktioner 2010. Men anläggningens teknologi, som är inrymd vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien, kan ännu inte generera tillräckligt med energi för att driva ett praktiskt kraftverk. Så även när fysiker ser fram emot nästa års demonstration, arbetar de på ännu mer kraftfulla lasrar som kan möjliggöra en metod för en sorts laserinducerad fusion som kallas snabb tändning.
Slå på: Denna laser kan leverera en 200-joule puls av ljus som varar bara 100 femtosekunder. Kablarna till vänster pumpar ström till gröna blinkande lampor som pumpar lasern.
Denna vecka, kl årligt möte av Optics Society of America i San Jose, Kalifornien, presenterade forskare från University of Texas planer på att bygga en exawattlaser som skulle vara tre storleksordningar mer kraftfull än något som finns idag. Dagens mest kraftfulla lasrar fungerar i storleksordningen cirka en petawatt, eller 10 till effekten 15 (en kvadriljon) watt. En exawatt är 10 till en effekt på 18 watt. Exawatt-lasrar kommer att kunna koncentrera den kraften i områden som mäter mikrometer, vilket skapar enorma intensiteter.
Ett sätt att öka kraften hos en laser är att minska laserpulsens varaktighet. Men att arbeta med laserpulser i storleksordningen pikosekunder eller till och med femtosekunder är svårt eftersom sådana pulser består av en bred bandbredd av ljusfrekvenser som skadar optiskt glas, inklusive fosfatglaset som ofta används för att förstärka laserljus, till exempel vid National Ignition Anläggningen.
Todd Ditmire , chef för High Intensity Laser Science Group vid University of Texas i Austin, rapporterade vid veckans möte att en ny typ av glas borde kunna hantera de intensiva ljuspulser som behövs för att skapa en exawatt-laser. Glaset skulle dopas och användas för att skapa enheter som kallas förstärkare - när ljus från en laser lyser på glasförstärkaren absorberar joner i glaset ljuset och återutsänder det med högre energi. Glaset är bara en värd – det är ett transparent material som håller jonerna, säger Ditmire.
Fördelen med att hålla fast vid glas istället för ett annat material är att tillverkare lätt kan göra det till stora enheter, vilket ökar kraften hos den resulterande strålen. Däremot kan titan safir fungera som en förstärkare för högeffektlasrar, men det är svårt att göra i stora bitar, säger Ditmire. Arbetar med tysk tillverkare Schott , har Texasgruppen börjat karakterisera egenskaperna hos deras nya glastyp, som kombinerar silikat, materialet som utgör vardagliga glasföremål, med metallelementet tantal. Ditmire säger att hans grupp nu arbetar med Schott för att skapa större delar av materialet som kommer att sättas ihop för att göra en prototyplaser.
Ditmire förväntar sig att den första tillämpningen av exawatt-lasrar kommer att vara som energikällor för medicinska partikelacceleratorer. Att bombardera tumörer med protoner orsakar färre biverkningar än röntgenbehandling eftersom protonerna frigör sin energi på en gång och skonar omgivande vävnader. Protonterapi har dock inte kommit till stor användning eftersom den kräver stora partikelacceleratorer. Kompakta exawatt-lasrar bör vara tillräckligt kraftfulla för att accelerera protoner för medicinsk terapi.
Men den mest spännande potentiella tillämpningen för exawatt-lasrar är i fusionskraftverk som är beroende av en process som kallas snabb tändning. I ett tidigt skede kommer National Ignition Facility att använda petawattlasrar för att komprimera en pellet av guldbränsle tills den värms upp till 100 miljoner °C, vilket utlöser fusion. Även på konferensen denna vecka rapporterade forskare från anläggningen att de har slutfört ytterligare ett steg på vägen till kontrollerade fusionsreaktioner, och beskrev preliminära tester av deras system med en 500 000 joule puls för att implodera en fusionsbränslepellet.
Snabbtändning fungerar annorlunda. Istället för en enda puls skulle tekniken använda lasrar med lägre effekt för att komprimera bränslet utan att oroa sig för att värma det, och sedan en kortpulsad [exawatt] laser som fungerar som ett tändstift och tänder fusionsreaktionen, säger Ditmire.
Om detta kommer att fungera är kontroversiellt, medger Ditmire. Att sikta på en så kort puls kan vara problematiskt. I teorin borde dock snabbtändningsprocessen ta mindre energi att fungera. Det viktigaste måttet på prestandan hos en fusionsreaktor är dess vinst, eller förhållandet mellan energin som krävs för att driva lasrarna och mängden energi som produceras av reaktionen. Livermore-anläggningens mål är en vinst på 15 till 20. Du behöver en vinst på 100 för att göra ett fusionskraftverk, och beräkningar visar att exawatt-lasrar kan få det, säger Ditmire.
Men det nya glasmaterialet är inte den enda nyckeln till att bygga en exawattlaser. Ditmires grupp har också haft framgång med nya förstärkningstekniker för att göra mycket kortvariga pulser med hjälp av universitetets Texas Petawatt Laser . Enligt Ditmire är tricket för att göra mycket hög effekt en teknik som kallas chirping, där olika frekvenser av ljus separeras, körs genom glasförstärkare och sedan körs genom en kompressor för att sätta ihop dem igen till en enda puls med högre effekt. . Texas-gruppens metod kombinerar olika typer av glasförstärkare för denna process, vilket möjliggör mer komprimering av ljuset och ökar därför uteffekten ytterligare. På mötet rapporterade Ditmire att använda denna teknik för att skapa 100 femtosekundspulser.
Ditmire är inte den enda forskaren som driver på utvecklingen av exawatt-lasrar. Uppfinnaren av kvittrandet, Gérard Mourou vid Ecole Polytechnique i Frankrike, leder ett europeiskt exawatt-laserprojekt som kallas ELLER , eller Extreme Light Infrastructure. Den europeiska gruppen planerar att använda titan safirförstärkare istället för konventionellt glas.