Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y la Universidad de California en Irvine han diseñado un nuevo láser en espiral de alta intensidad que podría revolucionar la tecnología de control del plasma.
Como se publicó en Nature Photonics, los pulsos láser giratorios con forma de resorte se pueden ajustar a diferentes velocidades, incluso más rápido que la velocidad de la luz, sin comprometer la teoría de la relatividad.
Los rayos láser tradicionales utilizados para interactuar con el plasma están limitados a un único punto y ritmo de interacción, lo que limita los descubrimientos para nuevos desarrollos en energía de fusión, aceleración de partículas y astrofísica.
«Durante mucho tiempo, la gente ha utilizado pulsos láser de alta potencia y alta intensidad para impulsar el plasma», dice el científico y autor principal del LLNL, Andrew Longman. «Pero esos láseres casi siempre tienen la configuración más simple: básicamente un punto redondo, nada particularmente interesante. Es como golpear un plasma con un martillo. Estamos interesados en pulsos láser que estén estructurados tanto en el espacio como en el tiempo porque pueden hacer cosas inusuales, como agitar un plasma».
Fabricación de componentes ópticos de forma libre hasta nanómetros.
Los investigadores utilizan un divisor de haz especial, uno que contiene una longitud de onda corta («azul») y otro que contiene una longitud de onda larga («roja»), para dividir el láser de banda ancha en dos haces.
Luego, cada haz se refleja en un espejo nanoestructurado personalizado fabricado por la División de Ciencias Fotónicas y la Instalación Nacional de Ignición de LLNL.
«Para algunos de estos sistemas ópticos de forma libre, la diferencia entre el diseño y la pieza terminada fue de sólo unos 5 nanómetros en todo el sistema óptico», dijo el autor Tayyab Suratwala, director del programa de óptica y ciencia y tecnología de materiales en LLNL. «Estamos hablando casi hasta la escala atómica».
Después de la reflexión de dos espejos, un segundo divisor de haz recombina los dos haces y los alinea con precisión espacial y temporalmente para producir un pulso láser retorcido.
«Los Cazafantasmas tiene un paquete de protones que dispara un rayo en el medio y otro rayo que gira en espiral a su alrededor», dijo Franklin Dollar, profesor de la Universidad de California, Irvine, quien ayudó a construir y probar el láser. «A altas intensidades, sólo sabíamos cómo hacer vigas centrales. Ahora también podemos hacer vigas helicoidales».
Los resortes láser en espiral tienen una amplia gama de posibilidades de aplicación
Las simulaciones que utilizan resortes ópticos sugieren que un sistema láser a escala de mesa puede generar campos magnéticos más fuertes que 100 Tesla al impulsar ondas de plasma helicoidales que se comportan como pequeñas bobinas electromagnéticas.
Estos potentes campos magnéticos generados en un entorno de laboratorio darán a los científicos la oportunidad de investigar el comportamiento de los átomos y la luz que emiten en condiciones extremas.
«Lo bueno es que todo se hizo con un láser que literalmente cabe en una mesa», dijo Longman. «No necesitas un láser masivo multimillonario para hacer tu propio trabajo».
Otra aplicación es la aceleración de partículas basada en plasma. Las simulaciones muestran que la onda de plasma helicoidal impulsada por el resorte óptico puede evitar que los electrones aceleren y superen el pulso del láser, lo que significa que los electrones permanecen en la región de aceleración el tiempo suficiente para alcanzar energías más altas.
«En realidad, se puede aumentar el campo magnético en términos de qué tan rápido se aceleran las partículas», dijo Dollar. «Se puede obtener energía del orden de un centímetro, similar a la que se puede obtener de un enorme acelerador».
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