近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心开发并测试了新的光学系统，能够以前所未有的精度精确测量和控制高功率激光束的位置和指向角度，并且在此过程中不会中断或干扰光束。

激光应用是“差之毫厘，谬以千里”最好的体现，对精度有着严格的高要求。几微米的目标偏差或者千分之一的角度偏移都会使问题复杂化，带来噪音等巨大的影响。加州大学伯克利分校的博士生以及论文第一作者Fumika Isono正是基于这一认知， 同BELLA中心副主任和另一科学家在BELLA中心的一台TW级激光器中进行了一项新颖的激光稳定实验。

伯克利实验室博士生Fumika Isono(中)、BELLA中心副主任Jeroen van Tilborg(右)和科学家Sam Barber在BELLA中心的一台TW级激光器中进行了一项新颖的激光稳定实验。图片由玛丽莲·萨金特/伯克利实验室(Marilyn Sargent/Berkeley Lab)提供。

创新之处：

过去为了在不干扰光束的前提下精确测量参数，要么通过拦截光束的脉冲而极大地消耗光束的功率，要么则以精确度的缺失为代价。与此不同的是，BELLA中心开发的方法通过分离和监控主光束的低功率精确副本实现目的，该副本来自于光束线中特殊设计的最终光学器件的后表面反射。

该激光架构具有三个关键属性：首先，它每秒能同时提供遵循相同路径的五个高功率脉冲和一千个低功率脉冲；其次，它优化了光束线从而使高功率和低功率脉冲在大小和发散度上相互匹配。再者，这种方法创新地使用楔形反射镜取代了其中一个光束反射镜，该反射镜的前后表面都有特殊涂层(Isono在论文中称之为“双面涂层”)，几乎所有的主光束都在光学器件的前表面被反射，而不会受到明显的影响。其中一小部分称为“光束见证者”，约占输入功率的1%，接着被后表面反射。它们几乎与主光束平行，其间隔刚好足以方便放置测量仪器。据Isono解释，这在不干扰主激光束的同时准确反映光束信息，可将此作为反馈系统的一部分，用于自主稳定激光器的横向位置和指向角度。根据研究，通过主动稳定低功率1千赫激光脉冲序列，可以消除高功率5赫兹激光的振动，预计可将高功率激光脉冲传输的位置和角度提高五倍。

高功率之能：

激光等离子体粒子加速器(LPAs)的发展是BELLA中心的主要任务，LPA产生超高电场，可以非常快速地给带电粒子“加速度”，使下一代更紧凑、更经济的加速器成为可能，用于各应用。由于低功率放大器在一个薄的中空管或“毛细管”内进行加速，它们将大大受益于对驱动激光束位置和指向角度的改进控制。贝拉中心的一个直接应用是使用LPA为自由电子激光器(FEL)提供电子束，自由电子激光器是一种产生比可见光能量高得多、波长短得多的明亮光子脉冲的设备。“波动器是自由电子激光的核心磁阵列，对电子束的接受度有非常严格的要求，这直接关系到LPA驱动激光的指向角度和横向波动，”Isono说。下一代激光系统（研究人员称kBELLA）会结合高功率和千赫重复率，创造其他的应用前景。“这项工作不仅限于激光等离子体加速，”BELLA中心主任Eric Esarey说，“它解决了整个高功率激光器领域的一个特定需求，即证明高功率脉冲的相关低功率副本没有显著干扰。在任何需要将高功率激光束以一定精度传送到任何应用的地方，这一结论都会产生很大的影响。可以畅想一下激光粒子碰撞实验，或者激光与毛细管或液滴等微米精度目标的相互作用。” 

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