Alineando una secuencia de amplificadores y espejos con precisión fina como un cabello sobre una mesa anclada a un bloque de acero en las profundidades del subsuelo, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han producido un potente láser verde. La luz, el láser verde de mayor potencia promedio jamás generado por un solo láser de fibra, será crucial para los experimentos de física nuclear en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del laboratorio.

"Cuando la luz verde golpea un objetivo 27 metros río abajo de esta mesa, generará pulsos de electrones necesarios para enfriar los haces de iones en RHIC para mantenerlos colisionando, "dijo el físico de Brookhaven Zhi Zhao, que construyó el sistema láser y es el autor principal de un artículo que describe sus atributos en Óptica Express , una revista de la Optical Society of America. Además de enfriar los haces de iones en RHIC, Un láser verde de tan alta potencia también podría tener aplicaciones en el procesamiento de materiales, mecanizado láser, y generar otros láseres.

Usando electrones para enfriar haces de iones

Las altas tasas de colisión en RHIC generan una gran cantidad de datos para el 1, 000 físicos nucleares que acuden a esta instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE para estudiar los intrincados detalles de los componentes básicos de la materia. Las colisiones reducen los bloques de construcción a su forma más primitiva:una sopa de partículas fundamentales que imita las condiciones del universo primitivo. Pero a medida que los iones circulan a través de los túneles de circunferencia de 2.4 millas de RHIC, tienden a calentarse y separarse, disminuyendo las posibilidades de que ocurran colisiones.

"La dispersión intrahaz hace que los iones se dispersen y se pierdan, para que el rayo no sobreviva, "dijo la física del acelerador RHIC Michiko Minty, coautor del artículo y líder del proyecto para desarrollar e integrar este láser en las operaciones del colisionador RHIC.

El calentamiento es un problema particular cuando los haces de iones circulan a energías relativamente bajas, en un rango que los científicos del RHIC están utilizando para estudiar aspectos interesantes de cómo la sopa primordial se transforma en protones y neutrones más familiares. Entonces, los físicos del RHIC han estado explorando formas de inyectar periódicamente una corriente de electrones relativamente fríos para eliminar parte del calor de los iones.

"El objetivo del enfriamiento de electrones es detener la propagación de los racimos de iones para maximizar la tasa de colisión, "Dijo Minty.

El enfriamiento de electrones ha tenido éxito en otros aceleradores de partículas. Pero en RHIC, los físicos están explorando nuevas estrategias para generar haces de electrones a energías de electrones muy altas (miles de millones de electronvoltios), lo que requiere el uso de aceleración lineal por radiofrecuencia de racimos energéticos.

"Tenemos que hacer racimos de electrones que se superpongan con los racimos de iones, y los racimos de iones se repiten. Entonces, queremos generar un conjunto de trenes de pulsos de electrones que se propaguen conjuntamente con los iones para que la energía de los iones pueda transferirse a los electrones, haciendo que el haz de iones se contraiga, "Dijo Minty.

La idea es usar pulsos de un láser para golpear un material fotoemisivo, un material que emite electrones cuando se golpea con la longitud de onda justa. o color, de luz, dentro de un cañón de electrones fotocátodos. En el caso del fotocátodo instalado en el cañón de electrones en RHIC, el color mágico es el verde.

(Luz infrarroja, luz verde, 1, 2, 3!

Para hacer la luz verde el equipo de Brookhaven empezó con algo invisible, un láser de "semilla" de infrarrojos (IR) a una potencia relativamente baja. Envían pulsos modulados de esa luz infrarroja invisible a través de una serie de fibras ópticas para amplificar la potencia.

A medida que la luz de un láser de "bomba" IR adicional ingresa a la fibra, excita electrones en el material que recubre la fibra. Cuando estos electrones vuelven a su "estado fundamental, "emiten fotones de luz en la longitud de onda IR, perfectamente sincronizado con las ondas IR semilla, aumentando gradualmente la intensidad de la señal en múltiples etapas de amplificador de fibra.

Una vez que se alcanza la potencia deseada, el láser infrarrojo incide en un cristal que "duplica la frecuencia".

"Cuando dos fotones de luz infrarroja inciden en el cristal, emite un fotón de una longitud de onda más corta, "Explicó Zhao." La duplicación de frecuencia esencialmente corta la longitud de onda a la mitad, cambiando la entrada de infrarrojos a luz verde visible ".

La luz láser verde luego zigzaguea a lo largo de caminos guiados por espejos en la mesa a través de varios componentes ópticos para optimizar la salida neta del láser. Estos incluyen múltiples cristales utilizados para convertir pulsos láser cortos en un tren de pulsos múltiples (conformación temporal), una variedad de lentes para producir el perfil transversal deseado de los pulsos láser (forma espacial), y las denominadas placas de media onda utilizadas para pasar o rechazar el paso del rayo láser para controlar la intensidad global del láser.

Después de este, la luz láser es guiada a una serie de moduladores ópticos eléctricos, "dispositivos que cortan secciones de la luz láser para producir la secuencia deseada de pulsos láser", una secuencia que coincide con la estructura de los rayos de iones que se van a enfriar, Minty explicó.

El objetivo es sincronizar los pulsos para que coincidan con la frecuencia del cañón de electrones, de modo que los electrones resultantes puedan acelerarse para coincidir perfectamente con los iones acelerados que circulan en RHIC.

"Al final, es la velocidad del haz de iones lo que 'decide' lo que necesitamos, y todo tiene que coincidir con eso. Obtenemos una señal de las cavidades de aceleración de iones que se utiliza para generar las señales de tiempo para los componentes que generan la estructura del pulso láser, "Dijo Minty.

Anclando y probando la luz

Los láseres de fibra son especialmente adecuados para generar grupos de electrones de alto brillo en inyectores de electrones fotocátodos. La alta relación superficie-volumen de la fibra admite la generación y entrega de pulsos láser a una alta tasa de repetición y una alta potencia láser promedio. También, la dinámica de la luz láser que se propaga a través de la fibra conduce a excelentes perfiles láser, bajas variaciones en la posición del láser, y operación libre de mantenimiento. En conjunto, estas propiedades dan como resultado el funcionamiento a largo plazo de un láser altamente estable, que es esencial para los programas de física RHIC.

Dos factores clave que los científicos deben controlar son la relación de extinción del láser (la diferencia entre el láser encendido y apagado) y su estabilidad.

"Si tiene luz presente cuando se supone que no debe estar allí, obtendrás electrones residuales, que puede producir efectos no deseados, ", Dijo Minty." Nuestro objetivo es un factor de 10-6, lo que significa que cuando decimos que está apagado, está apagado y sólo pasará uno entre un millón de electrones ".

Para estabilidad los científicos deben asegurarse de que la trayectoria de la luz no se desvíe más de 10 micrones desde su punto de partida hasta la pistola de fotocátodos en el túnel RHIC, incluso con todos los pasos de amplificación y vías en zigzag sobre la mesa.

"En general, el camino es de unos 30 metros:3 metros sobre la mesa con 40 espejos que crean el camino en zigzag y 27 metros en la línea de transferencia, "dijo Zhao, de pie dentro del remolque móvil que aloja el láser fuera del anillo RHIC.

"Estabilizamos la mesa cavando un gran hoyo y enterrando un bloque de acero de 50 toneladas al nivel del nivel freático de Long Island, y taladró agujeros en el remolque para asegurar la mesa láser a ese bloque, "Dijo Minty." Puedes saltar arriba y abajo en el suelo aquí y la mesa no se moverá, " ella añadió, señalando postes súper estables que sostienen espejos y otros componentes clave en la mesa de movimiento aislado.

También, Los largos tubos de vacío a través de los cuales viaja el láser están desacoplados de múltiples mesas ópticas más pequeñas entre el remolque y el cañón de electrones ubicado dentro del recinto RHIC. Estas mesas albergan ópticas y espejos con soportes igualmente diseñados para la estabilidad térmica y vibratoria.

El equipo, que también incluía a Brian Sheehy (recientemente retirado) y una nueva incorporación, Patrick Inacker:ya ha logrado dos hitos importantes para el Experimento de enfriamiento de electrones de baja energía. El 9 de marzo 2017, transportaron con éxito un láser de alineación a través de todo el sistema de transporte láser, seguido el 5 de abril por el primer transporte exitoso utilizando la luz láser verde. Se prevé que las primeras pruebas de enfriamiento de electrones comiencen durante las operaciones de RHIC a fines de 2018 y principios de 2019.