Los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía actualizaron recientemente un poderoso sistema de láser óptico utilizado para crear ondas de choque que generan condiciones de alta presión como las que se encuentran dentro de los interiores planetarios. El sistema láser ahora entrega tres veces más energía para experimentos con el láser de rayos X ultrabrillante de SLAC, proporcionando una herramienta más poderosa para sondear estados extremos de la materia en nuestro universo.

Juntos, los láseres ópticos y de rayos X forman el instrumento Materia en Condiciones Extremas (MEC) en la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS). El sistema de láser óptico de alta potencia crea condiciones extremas de temperatura y presión en los materiales, y el rayo láser de rayos X captura la respuesta del material.

Con esta tecnología, Los investigadores ya han examinado cómo el meteorito impacta los minerales de choque en la corteza terrestre y las condiciones simuladas en el interior de Júpiter al convertir el papel de aluminio en un plasma denso.

Formas de pulso de mayor intensidad y más controladas

El equipo de instrumentos MEC recibió fondos de la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión (FES) dentro de la Oficina de Ciencias del DOE para duplicar la cantidad de energía que el haz óptico puede entregar en 10 nanosegundos. de 20 a 40 julios.

Pero fueron aún más lejos.

"El equipo superó nuestras expectativas, un logro emocionante para el programa DOE High Energy Density y los futuros usuarios de instrumentos MEC, "dice Kramer Akli, gerente de programa de Plasma de Laboratorio de Alta Densidad Energética en FES.

El equipo triplicó la cantidad de energía que el láser puede entregar en 10 nanosegundos a un punto de un objetivo no mayor que el ancho de unos pocos cabellos humanos. Cuando se enfoca hacia esa área pequeña, el láser proporciona a los usuarios intensidades de hasta 75 teravatios por centímetro cuadrado.

"En otros términos, el láser mejorado tiene la misma potencia que 17 Teslas que descargan sus baterías de 100 kilovatios-hora en un segundo, "dice Eric Galtier, un científico de instrumentos MEC.

Una parte de la mejora de energía se puede atribuir al nuevo láser óptico, diodo casero bombeado front-end, diseñado con la ayuda de Marc Welch, un ingeniero láser MEC. Los científicos también construyeron y automatizaron un sistema para dar forma a los pulsos láser con extraordinaria precisión. permitiendo a los usuarios una flexibilidad y un control sustancialmente mayores sobre las formas de pulso utilizadas en sus experimentos.

Un láser más potente y confiable significa que los investigadores pueden estudiar regímenes de presión más altos y alcanzar condiciones relevantes para los estudios de energía de fusión.

Simulando el núcleo de los planetas

La actualización de MEC es prometedora para muchos investigadores, incluyendo a Shaughnessy Brennan Brown, un estudiante de doctorado en Ingeniería Mecánica, cuya investigación se centra en la ciencia de alta densidad energética, que abarca la química, ciencia de los Materiales, y física. Brennan Brown usa la cabina experimental MEC para impulsar ondas de choque a través del silicio y generar condiciones de alta presión que ocurren en el interior de la Tierra.

"La actualización de MEC en LCLS permite a investigadores como yo generar regímenes previamente inexplorados de materia exótica, como los que se encuentran en Marte, nuestro próximo trampolín planetario, con una fiabilidad y repetibilidad cruciales, "Dice Brennan Brown.

La investigación de Brennan Brown examina los procesos mediante los cuales el silicio en el núcleo de la Tierra se reordena atómicamente en condiciones de alta temperatura y presión. Las propiedades termodinámicas de estos estados de alta presión afectan nuestro campo magnético, que nos protege del viento solar y nos permite sobrevivir en la Tierra. La actualización del láser permitirá a Brennan Brown alcanzar condiciones de presión y temperatura más altas dentro de sus muestras, un objetivo de larga data.

Intensidad más precisión

El láser óptico amplifica un rayo de baja potencia en etapas y alcanza energías cada vez más altas. Sin embargo, la calidad del rayo láser y la capacidad de controlarlo disminuyen durante la amplificación. Un pulso de baja calidad puede comenzar y terminar con una forma significativamente diferente, lo cual no es útil para los investigadores que intentan recrear condiciones específicas.

"El pulso inicial de baja energía debe tener un modo espacial impecable y la forma temporal configurada correctamente, es decir, una escultura precisa de la potencia del pulso en función del tiempo, antes de la amplificación para producir las características del pulso láser necesarias para permitir el experimento de cada usuario, "dice Michael Greenberg, el Gerente de Área Láser MEC.

Cada objetivo es único y requiere una energía y una forma de pulso específicas, haciendo que las pruebas y los ajustes manuales consuman mucho tiempo. Antes de la actualización, el equipo optimizó la forma del pulso a mano, tardando desde unas horas hasta unos días en calibrarlo correctamente.

Para resolver este problema, Eric Cunningham, un científico láser en MEC, desarrolló un sistema de control automatizado para dar forma al haz de baja potencia antes de la amplificación.

"El nuevo sistema permite una adaptación precisa de la forma del pulso mediante un sistema de circuito de retroalimentación computarizado que analiza los pulsos y recalibra automáticamente el láser, ", Dijo Cunningham. El nuevo optimizador es un sistema prometedor para generar muchos pulsos de alta calidad de la manera más precisa y oportuna posible.

Además de las formas de pulso mejoradas, el sistema actualizado deposita energía en las muestras de manera más consistente de un disparo a otro, lo que permite a los investigadores reproducir muy de cerca los estados extremos de la materia en sus muestras. Como resultado, se mejoran tanto la calidad de los datos como la eficiencia operativa.

Brennan Brown dice que son las personas y la tecnología las que hacen que el instrumento sea tan exitoso:"La capacidad y la competencia de los científicos e ingenieros láser en la estación experimental MEC ofrecen a los investigadores los recursos tecnológicos que necesitan para explorar preguntas sin respuesta del universo y llevar sus teorías a vida."