Axiparabola: de spiegel die een laserbrandpunt uitrekt tot een lijn
Richt een vergrootglas op de zon en je ziet hoe al het licht samenkomt in één piepklein, gloeiend heet puntje. Dat is een brandpunt: de plek waar een lens of spiegel alle lichtstralen laat samenvallen. Het probleem is dat zo'n brandpunt extreem kort is. Een fractie voor en na dat punt is de bundel alweer uitgewaaierd en veel minder intens. Een axiparabola is een speciaal gevormde spiegel die dat oplost door het brandpunt als het ware uit te rekken tot een dunne, gloeiende draad in plaats van een enkel puntje, over een afstand van millimeters tot centimeters, terwijl de intensiteit hoog blijft.
Dat klinkt als een subtiele truc voor optica-nerds, maar in de wereld van ultrasterke lasers is het een van de manieren waarmee natuurkundigen proberen deeltjes te versnellen op een schaal die past op een labtafel in plaats van in een kilometers lange tunnel. Het begrip duikt op in onderzoek naar zogeheten laser-plasmaversnelling, waarbij een extreem korte en felle laserflits een golf in een wolk van geladen deeltjes (plasma) opwekt die elektronen achter zich aan kan sleuren tot enorme snelheden. Een axiparabola helpt om die felle laserflits langer 'scherp' te houden, wat direct te maken heeft met hoe ver en hoe efficiënt je deeltjes kunt versnellen.
Wat is het precies?
Om een axiparabola te begrijpen, helpt het om twee bekende optische elementen naast elkaar te zetten. Het eerste is de gewone parabolische spiegel: een gebogen spiegel die evenwijdige lichtstralen bundelt in één brandpunt, zoals een satellietschotel of een zaklamp-reflector. Hoe strakker de bundeling, hoe korter het bereik waarover de bundel echt scherp blijft; natuurkundigen noemen dat bereik de Rayleigh-lengte. Bij de extreem sterk gefocuste bundels die in laserlabs gebruikt worden, is die lengte vaak maar een fractie van een millimeter.
Het tweede element is de axicon, een lens met een kegelvormig (in plaats van bol) oppervlak. Een axicon zet een lichtbundel om in een zogenoemde Besselbundel: een smalle lichtkern die zichzelf over een veel grotere afstand in stand houdt zonder snel uit te waaieren. Het nadeel is dat een axicon een lens is, gemaakt van glas waar het licht doorheen moet. Bij de extreem korte en felle laserpulsen (vaak maar enkele femtoseconden lang, ofwel biljardsten van een seconde) die in dit onderzoeksveld gebruikt worden, veroorzaakt glas een probleem: verschillende kleuren licht in de puls buigen net iets anders af, waardoor de puls uit elkaar valt (chromatische aberratie). Bovendien kan glas bij zulke hoge intensiteiten simpelweg beschadigd of vernietigd raken.
De axiparabola combineert het idee van de axicon (een langgerekt in plaats van puntvormig brandpunt) met de bouwvorm van een spiegel. Het oppervlak is een niet-standaard, asferisch gevormde spiegel: de buitenste ringen van de spiegel buigen het licht net iets anders dan de binnenste ringen, zodat elke ring van de bundel op een net iets andere afstand focust. Het resultaat is geen brandpunt maar een aaneengesloten brandlijn, waarvan de lengte en vorm door het ontwerp van de spiegel bepaald kunnen worden. Omdat het een spiegel is en geen lens, is er geen glas waar het licht doorheen hoeft, wat het optiek geschikt maakt voor zeer hoge vermogens en, belangrijk voor ultrakorte pulsen, vrijwel achromatisch: alle kleuren van de puls worden hetzelfde behandeld.
Onderzoekers combineren de axiparabola vaak met een tweede optisch element, een soort trapvormige spiegel (echelon), die aan verschillende delen van de bundel een klein tijdsverschil meegeeft. Daarmee kan het intense punt binnen de brandlijn niet alleen ruimtelijk lang gerekt worden, maar ook in de tijd over die lijn 'bewegen': een verschijnsel dat in de vakliteratuur een flying focus (bewegend brandpunt) wordt genoemd. De snelheid waarmee dat brandpunt over de lijn schuift, is instelbaar en kan zelfs sneller of langzamer dan de lichtsnelheid lijken (zonder dat er daadwerkelijk iets sneller dan het licht reist, want het is de plek van maximale intensiteit die verschuift, niet de energie zelf).
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter dit onderzoek is laserversnelling van deeltjes, ook wel laser wakefield acceleration (LWFA) genoemd. Bij deze techniek schiet men een extreem intense laserpuls door een dun wolkje gas of plasma. De puls duwt de lichte elektronen even opzij, waardoor er een golf van lading ontstaat die achter de laserpuls aan raast, vergelijkbaar met het kielzog achter een snelle boot. Elektronen die in dat kielzog 'surfen' kunnen enorme elektrische veldsterktes ervaren en over een korte afstand tot hoge energie versneld worden, veel korter dan de metersgrote magneetringen die in klassieke deeltjesversnellers nodig zijn.
Het probleem is dat de bundel, zoals hierboven beschreven, maar over een heel korte afstand (de Rayleigh-lengte) echt scherp en intens blijft. Zodra de bundel uitwaaiert, zakt de intensiteit weg en stopt het versnellingseffect. Door de brandlijn van een axiparabola te gebruiken, en eventueel het bewegende brandpunt zo af te stemmen dat het precies meereist met de steeds sneller wordende elektronenbundel, hopen onderzoekers de versnellingsafstand fors te verlengen zonder dat daarvoor aparte, kwetsbare structuren (zoals dunne buisjes van plasma, zogeheten capillairen) nodig zijn om de laserbundel op koers te houden.
De belofte is een compactere en flexibelere manier om hoogenergetische elektronenbundels te maken, met toepassingen die uiteenlopen van kleinere, goedkopere röntgen- en gammastralingsbronnen voor materiaalonderzoek en medische beeldvorming, tot fundamenteel onderzoek naar extreme lichtvelden en, op de zeer lange termijn, compactere bouwstenen voor deeltjesversnellers. Het is nadrukkelijk geen belofte van een kant-en-klare vervanger voor bestaande deeltjesversnellers op korte termijn, maar een manier om een hardnekkige natuurkundige beperking (de korte Rayleigh-lengte) te omzeilen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept van de axiparabola is vooral bekend geworden door werk van de Franse natuurkundige Henri Vincenti en collega's bij het Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) en het Franse onderzoeksinstituut CEA, die rond 2019 lieten zien hoe een reflectieve, achromatische optiek een lange brandlijn kan opleveren voor ultrasterke laserpulsen. Dit werk bouwde voort op eerder theoretisch werk over axicon-achtige spiegels uit de jaren zeventig en tachtig.
Onafhankelijk daarvan ontwikkelde een groep rond het Laboratory for Laser Energetics (LLE) van de universiteit van Rochester in de Verenigde Staten, met onderzoekers als John Palastro en Dustin Froula, het bredere concept van de flying focus, waarbij een bewegend brandpunt wordt gebruikt om de interactie tussen laser en plasma over een langere afstand te regisseren. Beide onderzoekslijnen zijn in de jaren daarna met elkaar gaan overlappen, omdat een axiparabola een praktische manier bleek om zo'n flying focus daadwerkelijk te bouwen.
In Frankrijk wordt dit soort optiek getest en toegepast bij hoogvermogenlaserfaciliteiten zoals Apollon, bij École Polytechnique nabij Parijs, een van de krachtigste laserinstallaties van Europa, gericht op onder meer laser-plasmaversnelling. Ook bij Amerikaanse centra voor laser-plasmaonderzoek, zoals het BELLA-centrum van het Lawrence Berkeley National Laboratory, wordt gewerkt aan verwante technieken om de effectieve versnellingsafstand van elektronenbundels te vergroten. Binnen het Europese samenwerkingsverband Extreme Light Infrastructure (ELI), met faciliteiten in Tsjechië, Roemenië en Hongarije, past dit soort optica in het bredere onderzoeksprogramma naar ultra-intense laser-materie-interacties.
Hoe ver is de techniek?
De axiparabola en het flying-focus-concept bevinden zich duidelijk in de onderzoeksfase, niet in een toepassingsfase. Er zijn de afgelopen jaren spiegels met de vereiste asferische vorm daadwerkelijk gefabriceerd en getest, en onderzoeksgroepen hebben in experimenten laten zien dat de verlengde brandlijn en het bewegende brandpunt technisch werken zoals voorspeld. Dat is een belangrijke stap, want het gaat om oppervlakken die met nanometerprecisie moeten worden geslepen en gepolijst: elke kleine afwijking in de spiegelvorm vertaalt zich direct in een verstoorde brandlijn.
Het opschalen naar de allerhoogste laservermogens (petawattklasse installaties, oftewel duizend biljoen watt piekvermogen) is technisch en financieel veeleisend, omdat de spiegels dan zowel heel groot als extreem precies moeten zijn, en bestand tegen de intense belasting van zulke pulsen. De meeste gepubliceerde resultaten komen vooralsnog van proof-of-concept-experimenten op kleinere schaal of van numerieke simulaties die voorspellen wat er bij hogere vermogens zou moeten gebeuren. Concrete, herhaalbare demonstraties van sterk verlengde en efficiënte elektronenversnelling met een axiparabola, op een schaal die interessant is voor toepassingen buiten het laboratorium, zijn op het moment van schrijven nog niet breed gerapporteerd. Het is dus eerlijker om te spreken van een veelbelovend, actief onderzocht optisch hulpmiddel dan van een rijpe technologie.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is geconcentreerd in een klein aantal gespecialiseerde laserlaboratoria wereldwijd. In Frankrijk zijn het Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, verbonden aan ENSTA Paris en het CNRS) en het onderzoeksinstituut CEA de plekken waar het axiparabola-concept is uitgewerkt, mede dankzij de Apollon-laserfaciliteit bij École Polytechnique. In de Verenigde Staten speelt het Laboratory for Laser Energetics (LLE) van de universiteit van Rochester een leidende rol in het flying-focus-onderzoek, naast het BELLA-centrum van het Lawrence Berkeley National Laboratory, dat zich specifiek richt op laser-plasmaversnelling van elektronen.
Op Europees niveau werkt het samenwerkingsverband Extreme Light Infrastructure (ELI), met faciliteiten in Tsjechië, Roemenië en Hongarije, aan het bredere veld van ultra-intense laser-materie-interacties waarin dit soort optica past. Daarnaast publiceren universitaire groepen in onder meer het Verenigd Koninkrijk en Duitsland regelmatig over aanverwante optische technieken voor laser-plasmaversnelling. Het blijft een relatief klein, sterk gespecialiseerd vakgebied binnen de laser- en plasmafysica, met nauwe banden tussen de genoemde instituten.