El amplificador láser de alta potencia de mayor ganancia del mundo, en muchos órdenes de magnitud, se ha desarrollado en una investigación dirigida por la Universidad de Strathclyde.

Los investigadores demostraron la viabilidad de utilizar plasma para amplificar pulsos láser cortos de energía a nivel de picojulios hasta 100 milijulios. que es una 'ganancia' o amplificación de más de ocho órdenes de magnitud, que podría compararse con la amplificación del sonido de las hojas crujientes con el de un jumbo jet, en solo dos mm de plasma.

Utilizaron pulsos de 150 J del potente sistema láser Vulcan en la Instalación Láser Central (CLF) del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología. A lo largo de dos experimentos pioneros en CLF, Los científicos trabajaron en estrecha colaboración con el personal de CLF para adaptar el láser Vulcan a fin de que dos láseres de diferentes colores pudieran intercambiar energía en un plasma. El coeficiente de ganancia medido de 180 cm-1 es más de 100 veces mayor que el que se puede lograr con los amplificadores de sistemas láser de alta potencia existentes basados ​​en medios de estado sólido.

Los resultados se han publicado en la revista Informes científicos , en un artículo titulado Un amplificador eficiente y de ganancia ultra alta basado en la amplificación Raman en plasma.

Profesor Dino Jaroszynski, del Departamento de Física de Strathclyde, dirigió la investigación. Dijo:"La amplificación Raman en plasma es un concepto fascinante que combina las ideas del premio Nobel de Física CV Raman con plasma, física óptica y láser.

Aquí, un relativamente largo, El pulso de láser de alta energía se hace para colisionar en el plasma con un corto, pulso de muy baja energía. En el punto donde chocan, producen una onda de ritmo, muy parecido al de dos ondas de agua que chocan. La ligera presión del patrón de latido impulsa a los electrones del plasma a un patrón o escalón regular que imita la onda de latido. Este escalón multicapa actúa como una reflectividad muy alta, espejo variable en el tiempo que barre la energía del pulso de alta energía reflejándola en el pulso de baja energía, amplificando así el pulso de baja energía y comprimiendo su energía en un pulso de luz de duración ultracorta.

"Nuestros resultados son muy significativos porque demuestran la flexibilidad del medio de plasma como un medio amplificador de muy alta ganancia. También demostramos que la eficiencia del amplificador puede ser bastante grande, al menos 10%, que no tiene precedentes y se puede incrementar aún más. Sin embargo, También muestra lo que aún debe entenderse y controlarse para lograr una alta ganancia de una sola etapa, módulo amplificador de alta eficiencia.

"Un ejemplo de los desafíos que todavía enfrentamos es cómo lidiar con la amplificación del 'ruido' producido por las fluctuaciones aleatorias del plasma, que se ve agravada por la ganancia extremadamente alta. Esto conduce a canales indeseables por los que pasa la energía. Estamos haciendo un excelente progreso y creemos que estamos en una excelente posición para resolver estos problemas en nuestras próximas campañas experimentales ".

Dr. Gregory Vieux, quien dirigió el equipo de investigación que trabaja en CLF, dijo:"El plasma es un medio muy atractivo para trabajar. No tiene umbral de daño, ya que ya es un medio completamente descompuesto, por lo tanto, podemos usarlo para amplificar pulsos de láser cortos sin necesidad de estirarlos y volverlos a comprimir. Otra ventaja es que teóricamente es posible una mayor compresión durante la amplificación. Esto podría allanar el camino para el desarrollo de la próxima generación de sistemas láser que entregan pulsos ultra intensos y ultra cortos y a una fracción del costo de los láseres existentes.

"Todavía, todavía no hemos llegado a ese punto. El esquema se basa en controlar la inestabilidad Raman. Tiene un factor de crecimiento tan grande que puede desarrollarse y crecer a partir de pequeñas fluctuaciones plasmáticas ".

Los amplificadores láser son dispositivos que amplifican la luz. En los que nos son familiares, esto se hace sincronizando la emisión de luz de los electrones en los átomos o en la materia en estado sólido, para hacerlo coherente, que es un paso necesario para lograr poderes muy altos. Sin embargo, Los láseres de muy alta potencia en la frontera de la tecnología están limitados por el daño a sus componentes ópticos y medios amplificadores. Esto los hace muy grandes y muy costosos.

Plasma, el medio omnipresente del universo, ofrece una forma de evitar esta limitación porque es muy robusto y resistente a los daños:el plasma puede verse como una materia que ya se ha descompuesto en sus elementos constituyentes más pequeños:electrones e iones. Al aprovechar las ondas en el plasma, podemos reducir drásticamente el tamaño de los amplificadores láser al tiempo que proporcionamos una ruta hacia potencias máximas mucho más altas de lo que es posible ahora. exceder el rango de petavatios para posiblemente alcanzar exavatios. Este es un objetivo muy valioso porque se pueden utilizar pulsos de láser muy intensos para estudios fundamentales, como partículas aceleradoras, ayudar a impulsar la fusión nuclear o incluso extraer partículas del vacío y recrear las condiciones dentro de las estrellas o la condición primordial del universo en el laboratorio.

Los láseres de mayor potencia del mundo estarán disponibles para su uso en tres centros de investigación que forman parte del proyecto European Extreme Light Infrastructure (ELI). Este proyecto de 850 millones de euros está dedicado al estudio de las interacciones luz-materia en las intensidades más altas y escalas de tiempo más cortas. La potencia del láser en ELI será de 1016 vatios o el 5% de la potencia total del sol que se absorbe en la tierra en cualquier momento. Estos láseres conducirán a nueva ciencia y tecnología que podrían, por ejemplo, transformar nuestra comprensión de la física de alto campo y dar como resultado nuevas modalidades de radioterapia para el tratamiento del cáncer. Es necesario reducir el costo de la tecnología láser, qué plasma podría ofrecer. El plasma puede ser una ruta hacia poderes superiores para ir más allá de los disponibles en ELI para alcanzar poderes de exavatios.