Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han diseñado un láser compacto de múltiples petavatios que utiliza rejillas de transmisión de plasma para superar las limitaciones de potencia de las rejillas ópticas de estado sólido convencionales. El diseño podría permitir la construcción de un láser ultrarrápido hasta 1000 veces más potente que los láseres existentes del mismo tamaño.

Los láseres de petavatios (cuatrillones de vatios) se basan en rejillas de difracción para la amplificación de pulso chirp (CPA), una técnica para estirar, amplificar y luego comprimir un pulso láser de alta energía para evitar dañar los componentes ópticos. CPA, que ganó un Premio Nobel de física en 2018, está en el corazón de la Capacidad Radiográfica Avanzada de la Instalación Nacional de Ignición, así como del predecesor de NIF, el Láser Nova, el primer láser de petavatio del mundo.

Con un umbral de daño varios órdenes de magnitud más alto que las rejillas de reflexión convencionales, las rejillas de plasma "nos permiten ofrecer mucha más energía para una rejilla del mismo tamaño", dijo el ex postdoctorado de LLNL Matthew Edwards, coautor de un Physical Review Applied artículo que describe el nuevo diseño publicado en línea el 9 de agosto. El líder del grupo de interacciones láser-plasma, Pierre Michel, se unió a Edwards en el artículo.

"La óptica de enfoque de vidrio para láseres potentes debe ser grande para evitar daños", dijo Edwards. "La energía del láser se distribuye para mantener baja la intensidad local. Debido a que el plasma resiste el daño óptico mejor que un trozo de vidrio, por ejemplo, podemos imaginarnos construir un láser que produzca cientos o miles de veces más energía que un sistema actual sin haciendo que ese sistema sea más grande".

LLNL, con 50 años de experiencia en el desarrollo de sistemas láser de alta energía, también ha sido líder durante mucho tiempo en el diseño y la fabricación de las rejillas de difracción más grandes del mundo, como las rejillas de oro que se usan para producir pulsos de petavatios de 500 julios en el láser Nova. en la década de 1990. Sin embargo, se requerirían rejillas aún más grandes para los láseres de múltiples petavatios y exavatios (1000 petavatios) de próxima generación para superar los límites de fluencia máxima (densidad de energía) impuestos por la óptica sólida convencional (consulte "Lentes de plasma holográficas para -Láseres de potencia").

Edwards señaló que la óptica hecha de plasma, una mezcla de iones y electrones libres, es "muy adecuada para un láser de potencia media alta y tasa de repetición relativamente alta". El nuevo diseño podría, por ejemplo, hacer posible colocar un sistema láser de tamaño similar al L3 HAPLS (Sistema láser avanzado de petavatio de alta tasa de repetición) en ELI Beamlines en la República Checa, pero con 100 veces la potencia máxima.

Diseñado y construido por LLNL y entregado a ELI Beamlines en 2017, HAPLS fue diseñado para producir 30 julios de energía en una duración de pulso de 30 femtosegundos (una cuadrillonésima de segundo), lo que equivale a un petavatio, y hacerlo a 10 Hertz ( 10 pulsos por segundo).

"If you imagine trying to build HAPLS with 100 times the peak power at the same repetition rate, that is the sort of system where this would be most suitable," said Edwards, now an assistant professor of mechanical engineering at Stanford University.

"The grating can be remade at a very high repetition rate, so we think that 10 Hertz operation is possible with this type of design. However, it would not be suitable for a high-average-power continuous-wave laser."

While plasma optics have been used successfully in plasma mirrors, the researchers said, their use for pulse compression at high power has been limited by the difficulty of creating a sufficiently uniform large plasma and the complexity of nonlinear plasma wave dynamics.

"It has proven difficult to get plasmas to do what you want them to do," Edwards said. "It's difficult to make them sufficiently homogenous, to get the temperature and density variations to be small enough, and so on."

"We're aiming for a design where that kind of inhomogeneity is as small a problem as possible for the overall system—the design should be very tolerant to imperfections in the plasma that you use."

Based on simulations using the particle-in-cell (PIC) code EPOCH, the researchers said, "we expect that this approach is capable of providing a degree of stability not accessible with other plasma-based compression mechanisms, and may prove more feasible to build in practice." The new design "needs only gas as the initial medium, is robust to variations in plasma conditions, and minimizes the plasma volume to make sufficient uniformity practical."

"By using achievable plasma parameters and avoiding solid-density plasma and solid-state optics, this approach offers a feasible path toward the next generation of high-power laser." + Explora más

Researchers design holographic lenses based on plasma