Los pulsos de láser de alta potencia enfocados en pequeños puntos para alcanzar intensidades increíbles permiten una variedad de aplicaciones, que van desde la investigación científica hasta la industria y la medicina. En el Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA), por ejemplo, La intensidad es clave para construir aceleradores de partículas miles de veces más cortos que los convencionales que alcanzan la misma energía. Sin embargo, Los aceleradores de plasma láser (LPA) requieren una intensidad sostenida de muchos centímetros, no solo un foco puntual que se expande rápidamente debido a la difracción.

Para lograr una intensidad sostenida, el Centro BELLA, en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), utiliza estructuras huecas delgadas, o "capilares, "que contiene un plasma para transportar los pulsos de luz. Los científicos del Centro BELLA han estado avanzando hacia capilares cada vez más largos a medida que se esfuerzan por obtener energías de haz más altas con sus LPA.

Sus últimos trabajos muestran, con mayor precisión que nunca, que estas guías de ondas de plasma son extremadamente estables y de alta calidad reproducible, y que estas características pueden mantenerse en distancias de hasta 40 centímetros. Confirma que esta tecnología clave para LPA se puede ampliar a medida que el Centro BELLA avanza hacia energías más altas, beneficiarse de aplicaciones potenciales que van desde la investigación y el tratamiento biomédicos hasta fuentes de luz láser de electrones libres para instalaciones de investigación.

El trabajo, dirigido por la investigadora postdoctoral Marlene Turner, trabajar con el científico Anthony Gonsalves — se describe en un estudio publicado en la revista Ciencia e ingeniería de láser de alta potencia .

"Este trabajo muestra que los capilares pueden producir objetivos de plasma extremadamente estables para la aceleración y que las variaciones observadas en el rendimiento del acelerador son principalmente impulsadas por la fluctuación del láser". lo que indica la necesidad de un control de retroalimentación láser activo, "dijo Cameron Geddes, director de la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada, organización matriz del Centro BELLA.

Los canales de plasma brindan una guía constante para pulsos potentes

La fibra óptica puede transportar pulsos de rayo láser a lo largo de miles de kilómetros, un principio familiar en las redes informáticas modernas. Sin embargo, con las altas intensidades de láser utilizadas en el Centro BELLA (20 órdenes de magnitud más intensa que la luz del sol en la superficie de la Tierra), los electrones serían eliminados casi instantáneamente de sus átomos originales por el campo láser, destruyendo materiales sólidos como fibras de vidrio. La solución es usar plasma, un estado de la materia en el que ya se han eliminado electrones de sus átomos, como una "fibra".

El Centro BELLA ha utilizado plasmas para guiar pulsos de láser a distancias de hasta 20 centímetros para lograr las energías de partículas impulsadas por láser más altas hasta la fecha. El plasma se crea mediante una descarga eléctrica dentro del capilar. Aquí es donde los electrones "surfean" una onda de campo eléctrico ultra alto creado por el pulso láser. Cuanto más largo sea el enfoque sostenido, cuanto más rápido van al final del viaje.

Sin embargo, la descomposición del gas en una descarga eléctrica es un evento violento y en gran parte incontrolado (imagine un pequeño, rayo confinado). Trazando un camino hacia energías cada vez más altas y un control de precisión en el Centro BELLA, los investigadores necesitaban saber cuán reproducibles son las características de guía de ondas de un pulso láser a otro, y qué tan bien se puede guiar cada pulso láser.

Para dar resultados de guiado de ondas análogos a los de una fibra óptica, la densidad plasmática debe ser la más baja en el centro, con un perfil matemáticamente descrito como parabólico. "Mostramos, con una precisión sin precedentes, que los perfiles de plasma son de hecho muy parabólicos sobre el tamaño del punto de pulso láser para el que están diseñados para guiar, ", dijo Gonsalves." Esto permite la propagación del pulso en la guía de ondas sin degradación de la calidad ".

Otros tipos de guías de ondas de plasma (hay varias formas de crearlas) también se pueden medir con alta precisión utilizando estos métodos.

La precisión de la medición también fue ideal para investigar cuánto cambia el perfil de densidad de un disparo de láser a otro. ya que aunque el capilar es duradero, el plasma guía de ondas dentro de él se forma de nuevo cada vez. El equipo encontró una excelente estabilidad y reproducibilidad.

"Estos resultados, junto con nuestro trabajo continuo sobre comentarios activos con la ayuda de técnicas de aprendizaje automático, son un gran paso para mejorar la estabilidad y la usabilidad de los aceleradores de plasma láser, "dijo Eric Esarey, director del Centro BELLA. (La retroalimentación activa para estabilizar las fluctuaciones del láser también es objeto de investigación y desarrollo en el Centro BELLA).

Los pulsos láser guiados iluminan un camino hacia el progreso

La tecnología de aceleración de plasma láser podría reducir el tamaño y el costo de los aceleradores de partículas, aumentando su disponibilidad para hospitales y universidades. por ejemplo, y, en última instancia, llevar estos beneficios a un colisionador de partículas de próxima generación para la física de alta energía. Una de las claves para incrementar su energía de haz de partículas más allá del récord actual de 8 mil millones de electronvoltios (GeV) es el uso de canales de aceleración más largos; otro es "puesta en escena, "o el uso de la salida de un módulo de aceleración como entrada a otro. Verificar la calidad del canal de plasma donde tiene lugar la aceleración, y la consistencia y reproducibilidad de esa calidad, da un voto de confianza en la base tecnológica de estos planes.

Además de demostrar que esta guía de ondas capilar es de alta y constante calidad, este trabajo involucró guías de ondas dos veces más largas que la utilizada para lograr una energía récord. "Las guías de ondas de precisión de 40 centímetros de largo que hemos desarrollado ahora podrían impulsar esas energías aún más, "dijo Turner.