El principio subyacente a la picografía dinámica. Crédito:Chopineau et al.
Uno de los temas investigados en estudios recientes de física es la electrodinámica cuántica de campo fuerte (SF-QED). Hasta aquí, esta área rara vez ha sido explorada antes, principalmente porque la observación experimental de los procesos SF-QED requeriría intensidades de luz extremadamente altas (> 10 25 W / cm 2 ), más de tres órdenes de magnitud superiores a los obtenidos con los láseres de clase PetaWatt (PW) más intensos disponibles en la actualidad.
Un proceso SF-QED que ha demostrado ser particularmente difícil de observar es el proceso Schwinger. Este es un proceso que ocurre cerca del llamado límite de Schwinger (10 29 /cm 2 ), que está asociado con la ruptura óptica del vacío cuántico y la producción de plasmas prolíficos de pares de electrones / positrones.
Para observar el proceso de Schwinger, así como otros procesos SF-QED, los físicos deberían poder alcanzar intensidades de luz superiores a 10 25 W / cm 2 y hasta 10 29 /cm 2 . Una forma posible de producir estos fuertes campos de luz podría ser reflejar pulsos de láser de alta potencia en un espejo relativista curvo, espejos en plasmas que consisten en capas delgadas y densas de electrones aceleradas por ondas electromagnéticas de alta intensidad.
Investigadores del Laboratorio de Interacción y Dinámica de Láseres (LIDYL) de la Comisión Francesa de Energía Atómica (CEA) han demostrado recientemente que tales espejos relativistas curvos se pueden producir cuando un pulso de láser muy intenso ioniza un objetivo sólido y crea un plasma denso que refleja la luz incidente. . Su papel publicado en Física de la naturaleza , podría tener implicaciones importantes para la investigación futura dirigida a observar los procesos SF-QED.
"Recientemente, nuestro grupo propuso una nueva forma de aumentar significativamente la intensidad de los láseres de alta potencia actuales en más de tres órdenes de magnitud, utilizando elementos ópticos notables llamados 'espejos de plasma relativistas', "Henri Vincenti, uno de los investigadores que realizó el estudio, dicho Phys.org . "Estos espejos se pueden obtener enfocando un láser de alta potencia en un objetivo inicialmente sólido y ópticamente plano".
Esencialmente, Vincenti y sus colegas teorizaron que cuando un láser de alta potencia se enfoca en un inicialmente sólido, objetivo ópticamente plano, crea un plasma denso en el enfoque láser. Este plasma puede reflejar especularmente la luz incidente.
"Al reflexionar sobre este 'espejo de plasma', el campo eléctrico del láser hace que su superficie oscile a velocidades relativistas, formando así lo que llamamos un espejo oscilante relativista (ROM), "Vincenti dijo." Esta ROM comprime periódicamente la luz reflejada por turnos a través del llamado efecto Doppler. Esta compresión periódica produce un tren de pulsos de luz subfemtosegundos o attosegundos, asociado a un espectro armónico Doppler en el dominio de la frecuencia ".
Además de esta 'compresión temporal', el rayo láser incidente induce una presión de radiación espacialmente no homogénea en la superficie del espejo de plasma, donde la intensidad del láser es mayor en el centro del punto focal del láser que en los bordes. Esta presión de radiación finalmente curva la superficie del espejo de plasma. Por tanto, esta observación podría abrir nuevas posibilidades para la exploración de los procesos SF-QED en experimentos con tecnología láser.
"El objetivo principal de nuestro trabajo reciente fue mostrar que el ROM curvado por la presión de la radiación puede comprimir temporalmente un láser de alta potencia y enfocar el contenido armónico Doppler-upshift con excelente calidad óptica, Vincenti dijo. Para lograr esto, proponemos una nueva técnica de medición para caracterizar completamente el perfil espacio-temporal de la luz reflejada de un espejo de plasma en experimentos ".
El objetivo inicial del reciente estudio de Quéré, Vincenti y sus colegas caracterizaron las propiedades espacio-temporales de las fuentes de luz de espejo de plasma, para permitir su uso en experimentos. La caracterización de estas propiedades sería, por ejemplo, permiten a los investigadores enfocar fuentes de luz de espejo de plasma en muestras de materia para alcanzar regímenes dominados por SF-QED o usarlos para realizar experimentos de sonda de bomba de attosegundos y dinámica de electrones de prueba en átomos. Además, los investigadores esperaban que su trabajo permitiera la comparación de las mediciones recogidas en experimentos anteriores con modelos teóricos y numéricos existentes de fuentes de espejo de plasma.
"Hasta ahora, Las técnicas de medición solo pudieron recuperar información temporal o información espacial, pero no ambas simultáneamente, "Vincenti dijo." Para información espacial, una técnica común utilizada se llama 'pticografía' y permite una caracterización espacial completa de una fuente de luz en diferentes longitudes de onda ".
La pticografía permite a los investigadores lograr una caracterización espacial completa de las fuentes de luz colocando un objeto en el campo cercano escaneado a través de un haz de luz en diferentes posiciones en un plano determinado. Al examinar la evolución del patrón de difracción en el campo lejano, en función de la posición del objeto en el plano, potencialmente usando un algoritmo de recuperación de fase, los investigadores pueden recuperar la amplitud espacial y la fase tanto del objeto como de la fuente de luz.
Si bien muchos físicos han utilizado la pticografía en el pasado, esta técnica normalmente no permite a los investigadores recuperar información temporal, ya que el objeto colocado en el campo cercano es fijo. Quéré, Vincenti y sus colegas idearon así una técnica alternativa que permitiría a los físicos recuperar también información temporal sobre el objeto y la fuente de luz. Esta técnica implica la creación de un objeto pticográfico que puede moverse en la escala de tiempo de attosegundos, permitiendo la recuperación de información espacial y temporal.
"Este objeto se puede obtener utilizando un segundo haz de luz de frecuencia 2 omega (siendo omega la frecuencia del pulso láser principal) enfocado en un ángulo con respecto al rayo láser principal, "Dijo Quéré." Al escanear el retraso entre los dos haces, se puede cambiar la posición del objeto con respecto al tiempo de emisión de los sucesivos pulsos de attosegundos emitidos por el espejo de plasma. Entonces se puede obtener un algoritmo de recuperación de fase para recuperar el perfil espacio-temporal completo de la luz reflejada por el espejo de plasma ".
Usando la técnica que desarrollaron, apodado 'pticografía dinámica', Quéré y sus colegas pudieron recuperar la amplitud espacio-temporal y el perfil de fase de pulsos de attosegundos emitidos por espejos de plasma a intensidades moderadas y ultra altas.
Por último, la técnica propuesta por este equipo de investigadores podría ayudar en la búsqueda de alcanzar altas intensidades de luz utilizando espejos de plasma. Por ejemplo, podría ayudar a los físicos a estimar la intensidad que se puede lograr utilizando espejos de plasma con altos niveles de precisión, al mismo tiempo que les permite correlacionar estas mediciones con los procesos SF-QED observados en experimentos anteriores (por ejemplo, pares de electrones / positrones, rayos gamma, etc.).
"Hasta aquí, Hemos aplicado con éxito la pticografía dinámica a láseres de clase 100TeraWatt, Vincenti dijo. "El próximo hito importante será implementarlo en instalaciones láser de clase PW, en el que se espera que la intensidad impulsada por los espejos de plasma relativistas sea órdenes de magnitud mayor ".
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