211service.com
Bygning af verdens mest kraftfulde laser
I marts har forskere ved Nationalt tændingsanlæg demonstreret en 1,1 megajoule-laser designet til at antænde kernefusionsreaktioner i 2010. Men anlæggets teknologi, som har til huse på Lawrence Livermore National Laboratory i Californien, kan endnu ikke generere nok energi til at drive et praktisk kraftværk. Så selvom fysikere ser frem til næste års demonstration, arbejder de på endnu mere kraftfulde lasere, der kan muliggøre en metode til en slags laser-induceret fusion kaldet hurtig ignition.
Opstart: Denne laser kan levere en 200-joule lyspuls, der varer kun 100 femtosekunder. Kablerne til venstre pumper strøm til grønne blinkende lamper, der pumper laseren.
I denne uge kl årligt møde af Optics Society of America i San Jose, Californien, præsenterede forskere fra University of Texas planer om at bygge en exawatt-laser, der ville være tre størrelsesordener stærkere end noget, der eksisterer i dag. Dagens mest kraftfulde lasere fungerer i størrelsesordenen omkring en petawatt eller 10 til 15 (en kvadrillion) watt. En exawatt er 10 til en effekt på 18 watt. Exawatt-lasere vil være i stand til at koncentrere den kraft i områder, der måler mikrometer, hvilket skaber enorme intensiteter.
En måde at øge en lasers kraft på er at reducere varigheden af laserpulsen. Men at arbejde med laserimpulser i størrelsesordenen picosekunder eller endda femtosekunder er vanskeligt, fordi sådanne impulser består af en bred båndbredde af lysfrekvenser, der beskadiger optisk glas, inklusive fosfatglas, der ofte bruges til at forstærke laserlys, for eksempel ved National Ignition Facilitet.
Todd Ditmire , direktør for High Intensity Laser Science Group ved University of Texas i Austin, rapporterede på denne uges møde, at en ny type glas skulle være i stand til at håndtere de intense lysimpulser, der er nødvendige for at skabe en exawatt-laser. Glasset ville blive dopet og brugt til at skabe enheder kaldet forstærkere - når lys fra en laser skinner på glasforstærkeren, absorberer ioner i glasset lyset og genudsender det ved højere energi. Glasset er bare en vært - det er et gennemsigtigt materiale, der holder ionerne, siger Ditmire.
Fordelen ved at holde sig til glas i stedet for et andet materiale er, at producenterne let kan lave det om til store enheder, hvilket øger styrken af den resulterende stråle. I modsætning hertil kan titanium safir fungere som en forstærker til højeffektlasere, men det er svært at lave i store stykker, siger Ditmire. Arbejder med tysk producent Schott , er Texas-gruppen begyndt at karakterisere egenskaberne af deres nye type glas, som kombinerer silikat, materialet, der udgør hverdagens glasobjekter, med metalelementet tantal. Ditmire siger, at hans gruppe nu arbejder sammen med Schott for at skabe større stykker af materialet, der vil blive samlet for at lave en prototype-laser.
Ditmire forventer, at den første anvendelse af exawatt-lasere vil være som energikilder til medicinske partikelacceleratorer. At bombardere tumorer med protoner forårsager færre bivirkninger end røntgenbehandling, fordi protonerne frigiver deres energi på én gang og skåner omgivende væv. Protonterapi er dog ikke kommet i stor udbredelse, fordi det kræver store partikelacceleratorer. Kompakte exawatt-lasere bør være kraftige nok til at accelerere protoner til medicinsk terapi.
Men den mest spændende potentielle anvendelse for exawatt-lasere er i fusionskraftværker, der er afhængige af en proces kaldet hurtig tænding. I de tidlige stadier vil National Ignition Facility bruge petawatt-lasere til at komprimere en pellet af guldbrændstof, indtil den varmes op til 100 millioner °C, hvilket udløser fusion. Også på konferencen i denne uge rapporterede forskere fra anlægget, at de har fuldført endnu et trin på vejen til kontrollerede fusionsreaktioner, idet de beskrev foreløbige test af deres system ved hjælp af en 500.000-joule puls til at implodere en fusionsbrændstofpellet.
Hurtig tænding fungerer anderledes. I stedet for en enkelt puls ville teknikken bruge lasere med lavere effekt til at komprimere brændstoffet uden at bekymre sig om at opvarme det, og derefter en kortpuls [exawatt] laser, der fungerer som et tændrør, der antænder fusionsreaktionen, siger Ditmire.
Om dette vil virke er kontroversielt, indrømmer Ditmire. At sigte en så kort puls kan være problematisk. I teorien burde den hurtige antændingsprocessen dog tage mindre energi at fungere. Det vigtigste mål for ydeevnen af en fusionsreaktor er dens forstærkning eller forholdet mellem den energi, der kræves til at drive laserne, og mængden af energi, der produceres af reaktionen. Livermore-anlæggets mål er en gevinst på 15 til 20. Du skal bruge en gevinst på 100 for at lave et fusionskraftværk, og beregninger viser, at exawatt-lasere kunne få det, siger Ditmire.
Men det nye glasmateriale er ikke den eneste nøgle til at bygge en exawatt-laser. Ditmires gruppe har også haft succes med nye forstærkningsteknikker til at lave meget kortvarige pulser ved hjælp af universitetets Texas Petawatt Laser . Ifølge Ditmire er tricket til at lave meget høj effekt en teknik kaldet chirping, hvor forskellige lysfrekvenser adskilles, løber gennem glasforstærkere og derefter køres gennem en kompressor for at sætte dem sammen igen til en enkelt puls med højere effekt. . Texas-gruppens metode kombinerer forskellige typer glasforstærkere til denne proces, hvilket giver mulighed for mere komprimering af lyset og øger derfor udgangseffekten yderligere. På mødet rapporterede Ditmire at bruge denne teknik til at skabe 100 femtosekunders pulser.
Ditmire er ikke den eneste forsker, der presser på for udviklingen af exawatt-lasere. Opfinderen af kvidren, Gérard Mourou fra Ecole Polytechnique i Frankrig, står i spidsen for et europæisk exawatt-laserprojekt kaldet ELLER , eller Extreme Light Infrastructure. Den europæiske gruppe planlægger at bruge titanium safir forstærkere i stedet for konventionelt glas.