Los investigadores crearon pulsos de alta intensidad utilizando el láser de petavatios (en la foto) en el Centro de Ciencia Relativista del Láser (CoReLS) en la República de Corea. Este láser de alta intensidad permitirá a los científicos examinar fenómenos astrofísicos como la dispersión de electrones-fotones y fotones-fotones en el laboratorio. Crédito:Chang Hee Nam, CoReLS
Los investigadores han demostrado una intensidad de pulso láser récord de más de 10 23 W / cm 2 utilizando el láser de petavatios en el Center for Relativistic Laser Science (CoReLS), Instituto de Ciencias Básicas de la República de Corea. Tomó más de una década alcanzar esta intensidad láser, que es diez veces mayor que lo informado por un equipo de la Universidad de Michigan en 2004. Estos pulsos de luz de intensidad ultra alta permitirán la exploración de interacciones complejas entre la luz y la materia de formas que antes no eran posibles.
El poderoso láser se puede utilizar para examinar fenómenos que se cree que son responsables de los rayos cósmicos de alta potencia, que tienen energías de más de un billón (10 15 ) electronvoltios (eV). Aunque los científicos saben que estos rayos se originan en algún lugar fuera de nuestro sistema solar, cómo están hechos y qué los está formando ha sido un misterio de larga data.
"Este láser de alta intensidad nos permitirá examinar fenómenos astrofísicos como la dispersión de electrones-fotones y fotones-fotones en el laboratorio, "dijo Chang Hee Nam, director de CoReLS y profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju. "Podemos utilizarlo para probar experimentalmente y acceder a ideas teóricas, algunos de los cuales se propusieron por primera vez hace casi un siglo ".
En Optica , los investigadores informan los resultados de años de trabajo para aumentar la intensidad de los pulsos láser del láser CoReLS. El estudio de las interacciones entre la materia y el láser requiere un rayo láser bien enfocado y los investigadores pudieron enfocar los pulsos láser a un tamaño de punto de poco más de una micra. menos de una quincuagésima parte del diámetro de un cabello humano. La nueva intensidad del láser que rompe récords es comparable a enfocar toda la luz que llega a la tierra desde el sol en un punto de 10 micrones.
"Este láser de alta intensidad nos permitirá abordar una ciencia nueva y desafiante, especialmente la electrodinámica cuántica de campo fuerte, que ha sido tratado principalmente por teóricos, ", dijo Nam." Además de ayudarnos a comprender mejor los fenómenos astrofísicos, también podría proporcionar la información necesaria para desarrollar nuevas fuentes para un tipo de tratamiento de radiación que utiliza protones de alta energía para tratar el cáncer ".
Una cámara de interacción láser-materia para la aceleración de protones, en el que la intensidad focal superior a 10 23 W / cm 2 se demostró al enfocar con precisión un rayo láser de varios petavatios con un espejo parabólico fuera del eje F / 1.1. Crédito:Chang Hee Nam
Haciendo las legumbres más intensas
El nuevo logro amplía el trabajo anterior en el que los investigadores demostraron un sistema láser de femtosegundos, basado en Ti:Sapphire, que produce pulsos de 4 petavatios (PW) con duraciones de menos de 20 femtosegundos mientras se enfoca en un punto de 1 micrómetro. Este láser que se informó en 2017, produjo una potencia de aproximadamente 1, 000 veces más grande que toda la energía eléctrica de la Tierra en un pulso láser que solo dura veinte cuatrillones de segundo.
Imagen de punto focal 3-D medida que muestra la intensidad del láser de 1.4x10 23 W / cm 2 . Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Para producir pulsos de láser de alta intensidad en el objetivo, los pulsos ópticos generados deben enfocarse con extrema precisión. En este nuevo trabajo, los investigadores aplican un sistema de óptica adaptativa para compensar con precisión las distorsiones ópticas. Este sistema involucra espejos deformables, que tienen una forma de superficie reflectante controlable, para corregir con precisión las distorsiones en el láser y generar un rayo con un frente de onda muy bien controlado. Luego usaron un gran espejo parabólico fuera del eje para lograr un enfoque extremadamente ajustado. Este proceso requiere un manejo delicado del sistema óptico de enfoque.
"Nuestros años de experiencia adquiridos durante el desarrollo de láseres de ultra alta potencia nos permitieron realizar la formidable tarea de enfocar el láser PW con un tamaño de haz de 28 cm a un punto micrométrico para lograr una intensidad de láser superior a 10 23 W / cm 2 , "dijo Nam.
Diseño del láser de petavatios CoReLS y la configuración experimental para lograr la intensidad del láser de más de 10 23 W / cm 2 . BS, divisor de haz; DM1-2, espejos deformables; EM, medidor de energía; OAP, f /1.1 espejo parabólico fuera del eje; OL, lente objetivo; WFS1-2, sensores de frente de onda. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Estudiar procesos de alta energía
Los investigadores están utilizando estos pulsos de alta intensidad para producir electrones con una energía superior a 1 GeV (10 9 eV) y trabajar en el régimen no lineal en el que un electrón choca con varios cientos de fotones láser a la vez. Este proceso es un tipo de electrodinámica cuántica de campo fuerte llamado dispersión de Compton no lineal, que se cree que contribuye a la generación de rayos cósmicos extremadamente energéticos.
Vista panorámica del láser CoReLS PW. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
También utilizarán la presión de radiación creada por el láser de intensidad ultra alta para acelerar los protones. Comprender cómo ocurre este proceso podría ayudar a desarrollar una nueva fuente de protones basada en láser para tratamientos contra el cáncer. Las fuentes que se utilizan en los tratamientos de radiación actuales se generan mediante un acelerador que requiere un enorme escudo de radiación. Se espera que una fuente de protones impulsada por láser reduzca el costo del sistema, haciendo que la máquina de oncología de protones sea menos costosa y, por lo tanto, más accesible para los pacientes.
Los investigadores continúan desarrollando nuevas ideas para mejorar la intensidad del láser aún más sin aumentar significativamente el tamaño del sistema láser. Una forma de lograr esto sería encontrar una nueva forma de reducir la duración del pulso láser. Dado que los láseres con picos de potencia que van de 1 a 10 PW están ahora en funcionamiento y se están planificando varias instalaciones que alcancen los 100 PW, no hay duda de que la física de alta intensidad progresará enormemente en un futuro próximo.
