211service.com
De krachtigste laser ter wereld bouwen
In maart hebben onderzoekers van de Nationale ontstekingsinstallatie demonstreerde een laser van 1,1 megajoule die is ontworpen om tegen 2010 kernfusiereacties te ontsteken. Maar de technologie van de faciliteit, die is gehuisvest in het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, kan nog niet genoeg energie genereren om een praktische energiecentrale aan te drijven. Dus zelfs terwijl natuurkundigen uitkijken naar de demonstratie van volgend jaar, werken ze aan nog krachtigere lasers die een methode mogelijk zouden kunnen maken voor een soort laser-geïnduceerde fusie die snelle ontsteking wordt genoemd.
Opstarten: Deze laser kan een lichtpuls van 200 joule afgeven die slechts 100 femtoseconden duurt. De kabels aan de linkerkant pompen stroom naar groene flitslampen die de laser pompen.
Deze week, bij de jaarlijkse bijeenkomst van de Optics Society of America in San Jose, CA, presenteerden onderzoekers van de Universiteit van Texas plannen om een exawatt-laser te bouwen die drie orden van grootte krachtiger zou zijn dan alles wat tegenwoordig bestaat. De krachtigste lasers van vandaag werken in de orde van grootte van ongeveer een petawatt, of 10 tot het vermogen van 15 (een quadriljoen) watt. Een exawatt is 10 tot een vermogen van 18 watt. Exawatt-lasers zullen die kracht kunnen concentreren in gebieden van micrometers, waardoor enorme intensiteiten ontstaan.
Een manier om het vermogen van een laser te vergroten, is door de duur van de laserpuls te verkorten. Maar werken met laserpulsen in de orde van picoseconden of zelfs femtoseconden is moeilijk omdat dergelijke pulsen zijn opgebouwd uit een brede bandbreedte van lichtfrequenties die optisch glas beschadigen, waaronder het fosfaatglas dat vaak wordt gebruikt om laserlicht te versterken, bijvoorbeeld bij de National Ignition Faciliteit.
Todd Ditmire , directeur van de High Intensity Laser Science Group aan de Universiteit van Texas in Austin, meldde tijdens de vergadering van deze week dat een nieuw type glas in staat zou moeten zijn om de intense lichtpulsen aan te kunnen die nodig zijn om een exawatt-laser te creëren. Het glas zou worden gedoteerd en gebruikt om apparaten te maken die versterkers worden genoemd - wanneer licht van een laser op de glasversterker schijnt, absorberen ionen in het glas het licht en zenden het opnieuw uit met hogere energie. Het glas is slechts een gastheer - het is een transparant materiaal dat de ionen vasthoudt, zegt Ditmire.
Het voordeel van het vasthouden aan glas in plaats van een ander materiaal is dat fabrikanten er gemakkelijk grote apparaten van kunnen maken, wat het vermogen van de resulterende straal vergroot. Daarentegen kan titanium saffier fungeren als een versterker voor krachtige lasers, maar het is moeilijk om het in grote stukken te maken, zegt Ditmire. Werken met Duitse fabrikant Schott , is de Texas-groep begonnen met het karakteriseren van de eigenschappen van hun nieuwe type glas, dat silicaat, het materiaal waaruit alledaagse glazen voorwerpen bestaan, combineert met het metalen element tantaal. Ditmire zegt dat zijn groep nu met Schott samenwerkt om grotere stukken materiaal te maken die zullen worden geassembleerd om een prototype laser te maken.
Ditmire verwacht dat de eerste toepassing van exawatt-lasers zal zijn als energiebronnen voor medische deeltjesversnellers. Het bombarderen van tumoren met protonen veroorzaakt minder bijwerkingen dan röntgentherapie, omdat de protonen hun energie in één keer afgeven en de omliggende weefsels sparen. Protontherapie is echter niet op grote schaal gebruikt omdat het grote deeltjesversnellers vereist. Compacte exawatt-lasers moeten krachtig genoeg zijn om protonen voor medische therapie te versnellen.
Maar de meest opwindende potentiële toepassing voor exawatt-lasers is in fusiecentrales die afhankelijk zijn van een proces dat snelle ontsteking wordt genoemd. In de vroege stadia zal de National Ignition Facility petawatt-lasers gebruiken om een pellet goudbrandstof samen te persen tot deze opwarmt tot 100 miljoen ° C, waardoor fusie wordt veroorzaakt. Ook op de conferentie deze week meldden onderzoekers van de faciliteit dat ze een nieuwe stap hebben gezet op weg naar gecontroleerde fusiereacties, door voorlopige tests van hun systeem te beschrijven met behulp van een puls van 500.000 joule om een fusiebrandstofpellet te imploderen.
Snel ontsteken werkt anders. In plaats van een enkele puls, zou de techniek lasers met een lager vermogen gebruiken om de brandstof samen te persen zonder dat je je zorgen hoeft te maken over verwarming, en vervolgens een korte-puls [exawatt] laser die als een bougie fungeert en de fusiereactie ontsteekt, zegt Ditmire.
Of dit gaat werken is controversieel, geeft Ditmire toe. Het richten van zo'n korte puls kan problematisch zijn. In theorie zou het snelle ontstekingsproces echter minder energie moeten kosten. De belangrijkste maatstaf voor de prestatie van een fusiereactor is de winst of de verhouding tussen de energie die nodig is om de lasers te laten werken en de hoeveelheid energie die door de reactie wordt geproduceerd. Het doel van de Livermore-faciliteit is een winst van 15 tot 20. Je hebt een winst van 100 nodig om een fusiecentrale te maken, en berekeningen tonen aan dat exawatt-lasers het kunnen krijgen, zegt Ditmire.
Maar het nieuwe glasmateriaal is niet de enige sleutel tot het bouwen van een exawatt-laser. De groep van Ditmire heeft ook succes gehad met nieuwe versterkingstechnieken voor het maken van zeer korte pulsen met behulp van de universitaire Texas Petawatt Laser . Volgens Ditmire is de truc om zeer hoog vermogen te maken een techniek die chirping wordt genoemd, waarbij verschillende lichtfrequenties worden gescheiden, door glazen versterkers worden geleid en vervolgens door een compressor worden geleid om ze weer samen te voegen tot een enkele, krachtigere puls . De methode van de Texas-groep combineert voor dit proces verschillende soorten glasversterkers, waardoor meer compressie van het licht mogelijk is en dus het uitgangsvermogen verder toeneemt. Tijdens de bijeenkomst meldde Ditmire dat hij deze techniek gebruikte om pulsen van 100 femtoseconden te creëren.
Ditmire is niet de enige onderzoeker die aandringt op de ontwikkeling van exawatt-lasers. De uitvinder van het getjilp, Gérard Mourou van de Ecole Polytechnique in Frankrijk, leidt een Europees exawatt-laserproject genaamd OF , of extreem lichte infrastructuur. De Europese groep is van plan om titanium saffierversterkers te gebruiken in plaats van conventioneel glas.