Sin embargo, aún es necesario superar desafíos para impulsar el rendimiento de la ablación por láser a escala nanométrica y llevar la aceleración de iones impulsada por láser al uso industrial y médico.

Durante la interacción de un pulso láser ultracorto con un objetivo sólido, este último evoluciona a un estado ionizado o plasma en un período de tiempo extremadamente corto (menos de un picosegundo [ps]), donde tienen lugar múltiples procesos físicos complejos y acoplados, mientras su interacción aún no se comprende completamente.

Debido a la evolución ultrarrápida del objetivo, la etapa inicial de la interacción, es decir, la formación del plasma, es difícilmente accesible en los experimentos. Por lo tanto, esta transición ultrarrápida de sólido a plasma, que establece las condiciones iniciales para procesos posteriores como la ablación o la aceleración de partículas, hasta ahora ha sido tratada mediante suposiciones aproximadas en la mayoría de los modelos numéricos que describen dicha interacción.

En un nuevo artículo publicado en Light:Science &Applications , un equipo internacional de científicos, que incluye a Yasmina Azamoum y Malte C. Kaluza del Instituto Helmholtz de Jena y la Friedrich-Schiller-Universität Jena, Alemania, Stefan Skupin del Institut Lumière Matière, Francia, Guillaume Duchateau del Commissariat à l'énergie atomique (CEA-Cesta), Francia y sus coautores han dado un importante paso adelante al dilucidar la transición ultrarrápida de sólido a plasma inducida por láser y al proporcionar una comprensión profunda de la interacción de los procesos fundamentales.

Presentan una técnica de sondeo de un solo disparo totalmente óptica de vanguardia que permite una visualización completa de la dinámica del objetivo, desde un sólido frío que pasa por la etapa de ionización hasta un plasma sobredenso. Esto se logra mediante el uso de un pulso de sonda láser con un espectro óptico de banda ancha que ilumina la interacción del pulso de la bomba con una lámina de carbono similar a un diamante de nanómetros de espesor. Los diferentes colores del pulso de la sonda llegan en diferentes momentos de la interacción debido a un chirrido temporal.

Por lo tanto, la evolución del estado objetivo codificado en la luz de la sonda transmitida se puede capturar con un único pulso de sonda. Esta técnica de sondeo de un solo disparo es ventajosa en comparación con los métodos convencionales de sonda con bomba, en los que la bomba debe reproducir de forma idéntica el proceso sondeado para cada retraso de la sonda. Esto es especialmente relevante cuando se emplean sistemas láser de alta potencia, que a menudo sufren fuertes fluctuaciones entre pulsos.

Además, los científicos demostraron que para la interpretación correcta de los perfiles de transmisión de la sonda medidos, la descripción precisa de la transición temprana del sólido al plasma es crucial. Se desarrolló un modelo de interacción de dos pasos, donde el primer paso tiene en cuenta la dinámica de ionización del objetivo en estado sólido y el segundo paso considera el objetivo en estado de plasma.

Se proporciona una evolución detallada del estado objetivo con altas resoluciones temporales y espaciales (sub-ps y nm, respectivamente), junto con información sin precedentes sobre la interacción de procesos fundamentales como la dinámica de ionización, las colisiones de partículas y la expansión hidrodinámica del plasma.

Se espera que los resultados de esta nueva técnica de sondeo y su interpretación contribuyan a una comprensión más profunda de las diversas dinámicas de los objetivos y a una mejor comprensión de los procesos físicos subyacentes. Es probable que estos logros ayuden a ir más allá de los métodos tradicionales de procesamiento de materiales con láser ultrarrápido y a hacer que las tecnologías de iones acelerados por láser sean utilizables para aplicaciones sociales.