Los aceleradores de partículas convencionales pueden variar desde dispositivos del tamaño de una habitación grande hasta instalaciones de varios kilómetros de diámetro. Una de las formas que los científicos han buscado para reducir el tamaño y el costo de los aceleradores futuros es mediante el desarrollo de la aceleración de plasma impulsada por láser. Tales aceleradores, sin embargo, están creciendo en tamaño y complejidad para mantener la relevancia para una de sus aplicaciones:la física de altas energías. Sin embargo, Hay muchas aplicaciones que pueden utilizar un rayo acelerado de menor energía y mayor tasa de repetición. Por primera vez, Los científicos han observado la producción de electrones relativistas impulsados ​​por baja energía, pulsos ultracortos de láser de infrarrojo medio. Un equipo de investigación de la Universidad de Maryland, ESTADOS UNIDOS, con el apoyo de la Universidad Técnica de Viena, Austria, presentará los hallazgos de su grupo en Fronteras en óptica + Ciencia láser APS / DLS (FIO + LS), celebrada del 17 al 21 de septiembre de 2017 en Washington, CORRIENTE CONTINUA.

"Estamos tratando de desarrollar aceleradores accionados por láser que sean extremadamente compactos y tengan una alta tasa de repetición, "dijo Howard Milchberg, Miembro de la Sociedad Estadounidense de Física (APS) y la Sociedad Óptica (OSA), y profesor de Física e Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Maryland. "Eso significa usar una energía de pulso láser tan baja como sea posible para generar electrones relativistas. Estas fuentes podrían usarse en imágenes de escaneo rápido para uso médico, aplicaciones científicas y de seguridad ".

Recientemente, El desarrollo de sistemas de amplificación de pulso de chirp paramétrico óptico (OPCPA) en el infrarrojo medio ha permitido el uso de pulsos de longitud de onda larga en la escala de femtosegundos. Hasta este desarrollo, Los pulsos de láser de longitud de onda larga han estado disponibles principalmente a partir de láseres de CO2, pero tienen una estructura complicada de múltiples pulsos con duraciones de pulso que se extienden, en las duraciones más cortas, más allá de varios picosegundos, cientos de veces más.

Los experimentos comunes de aceleración impulsados ​​por láser dependen de la interacción de un pulso láser corto con un objetivo de gas. En comparación con experimentos anteriores, la gran longitud de onda del controlador utilizada en este proyecto resultó en un fácil acceso a lo que se llama el régimen de "densidad crítica". Debido a que la densidad crítica varía inversamente al cuadrado de la longitud de onda del láser, Los objetivos de gas utilizados para pulsos de láser de infrarrojo medio pueden ser hasta 100 veces menos densos que los utilizados en el infrarrojo visible y cercano, haciéndolos mucho menos difíciles de diseñar.

"Cuando un pulso de láser de infrarrojo medio de unos pocos milijulios femtosegundos se enfoca mediante un espejo curvo en un chorro de gas hidrógeno, una corriente de hidrógeno que sale de una boquilla, un pulso colimado de electrones relativistas se emite por el otro lado del chorro, "Milchberg dijo, describiendo el experimento. "Sin embargo, esto no puede suceder a menos que el láser alcance una intensidad extremadamente alta, mucho más alta de la que se puede lograr enfocando solo con el espejo curvo. Lo hace mediante un autoenfoque relativista en el gas hidrógeno ionizado de modo que colapsa a un tamaño mucho más pequeño que su punto focal ".

La importancia de estar en el régimen de densidad crítica, según Milchberg, es que promueve el autoenfoque relativista incluso para pulsos de láser de baja energía. Esta interacción de alta intensidad impulsada genera ondas de plasma que aceleran algunos de los electrones del hidrógeno ionizado en un rayo relativista dirigido hacia adelante.

El equipo descubrió que los haces de electrones estaban presentes para potencias tales que la longitud característica de autoenfoque en el plasma era más corta que la del, ancho del chorro de gas, mostrando que la aceleración de electrones no puede ocurrir sin un autoenfoque relativista.

El autoenfoque relativista es un ejemplo extremo del conocido proceso de autoenfoque en óptica no lineal, pero ahora con la ventaja de las partículas relativistas aceleradas generadas a partir del medio no lineal.

Incluso con solo 20 milijulios de energía láser de infrarrojos medios, el láser en estos experimentos puede exceder significativamente el umbral para el autoenfoque relativista, dando lugar a la multifilamentación relativista. El equipo observó múltiples haces de electrones relativistas asociados con estos filamentos.

Estas innovaciones se encuentran entre los primeros pasos para el desarrollo y las aplicaciones de aceleradores impulsados ​​por láser de alta tasa de repetición. "En particular, "Milchberg dijo, "Los láseres de femtosegundos de longitud de onda larga son especialmente prometedores, ya que pueden acceder al régimen relativista no lineal de electrones libres con sorprendente facilidad ".