Simon Hooker, profesor de Física Atómica y Láser de la Universidad de Oxford, destaca el trabajo de su Grupo de Aceleradores de Láser y Plasma.
La aceleración del plasma láser tiene un gran potencial para la física de partículas porque produce campos eléctricos que son más de tres órdenes de magnitud mayores que los observados en los aceleradores de radiofrecuencia (RF) convencionales. Cuando un potente pulso láser se propaga a través de un plasma, la fuerza electromotriz gravitacional fuerza a los electrones desde la parte delantera y trasera del pulso, formando así una onda de densidad longitudinal. Este «acelerador de campo láser» es particularmente prometedor para producir haces de electrones de pulso corto y alta energía para aplicaciones como difracción de electrones en femtosegundos, imágenes médicas y láseres compactos de rayos X de electrones libres.
El principal desafío asociado con estos aceleradores es la distancia sobre la cual se puede mantener la potencia del láser impulsor, lo que puede limitar la energía con la que se pueden acelerar las partículas. Ésta es una de las preguntas clave que el Grupo de Aceleradores de Plasma Láser de la Universidad de Oxford está tratando de abordar. Este grupo ha desarrollado varias técnicas para canalizar pulsos láser con intensidades máximas de hasta 1018 Wcm-2 a distancias mucho mayores que los límites establecidos por la difracción.
La investigación del grupo sobre aceleradores de plasma impulsados por láser se centra en cuatro áreas principales:
Investigación sobre tecnología para controlar la inyección de electrones en campos de estela de plasma. Desarrollo de nuevas tecnologías para impulsar aceleradores de plasma, como la aceleración de wakefield láser multipulso. Desarrollar técnicas para guiar potentes impulsos láser de conducción a lo largo de cientos de milímetros. Desarrollo de aplicaciones de aceleradores de plasma impulsados por láser, especialmente para la generación de rayos X.
Para obtener más información sobre el trabajo del grupo y los logros notables hasta la fecha, Innovation Platform habló con el líder del grupo, el profesor Simon Hooker.
¿Podría darnos más detalles sobre el Grupo de Aceleradores de Plasma Láser y sus principales objetivos?
El Grupo del Acelerador de Plasma Láser está formado actualmente por tres investigadores postdoctorales y seis estudiantes de posgrado. Dirigí el grupo y recibí valiosos aportes del profesor emérito Roman Walchak.
Aunque el grupo se centra en la investigación experimental, también realiza una serie de simulaciones numéricas utilizando códigos de partículas en celda (PIC), que normalmente se ejecutan en grupos de computadoras. Nuestros experimentos se realizan en instalaciones internacionales, incluido el Laboratorio del Acelerador de Plasma de Oxford (OPAL), nuestro propio laboratorio láser de alta potencia protegido contra la radiación que alberga un láser Ti:Zafiro de 25 TW (1 J, 40 fs) y la Instalación Láser Central en el campus de Harwell.
¿Cuáles son los principales desafíos que está trabajando para superar?
Muchos grupos de todo el mundo han demostrado que los aceleradores de plasma impulsados por láser (LPA) pueden acelerar electrones hasta energías de varios GeV en tan sólo unos pocos centímetros. Esto está dentro del rango de los haces de electrones utilizados en sincrotrones y láseres de electrones libres. En mi opinión, el desafío actual en este campo es generar flujos de electrones de alta calidad y energía con altas tasas de repetición, y hacerlo de manera altamente reproducible. Aunque varios grupos han logrado cada uno de estos cuatro objetivos de alta energía, calidad, tasa de repetición y reproducibilidad, lograrlos todos simultáneamente sigue siendo un desafío para el campo.
Por lo tanto, nos fijamos el objetivo general de desarrollar un acelerador de plasma que pueda entregar de manera reproducible haces de electrones de alta calidad en la escala GeV a velocidades de repetición de pulsos en el rango de kilohercios. Esto no será fácil, pero es algo que la comunidad puede lograr en los próximos 5 a 10 años.
La mayoría de los LPA actuales funcionan con láseres de titanio y zafiro que emiten pulsos láser con varios julios de energía. Actualmente, estos sistemas están limitados a una frecuencia de repetición de impulsos de aproximadamente 10 Hz, que es técnicamente difícil de aumentar. En un intento de sortear esta limitación, propusimos el concepto de un acelerador de plasma modulado por plasma (P-MoPA). Aprovecha los láseres de disco fino (TDL) disponibles comercialmente que ya pueden emitir pulsos en escala de julios a velocidades de repetición de kilohercios, pero la duración del pulso es demasiado larga para impulsar directamente un LPA. El concepto P-MoPA pretende solucionar este problema convirtiendo cada pulso TDL de picosegundo en una serie de pulsos cortos. Brevemente, P-MoPA consta de tres etapas. En la primera etapa, un «modulador», un pulso largo de alta energía del TDL, se copropaga con una onda de plasma de baja amplitud impulsada por un pulso corto (<100 fs) de baja energía. La copropagación con la onda de plasma produce bandas laterales en el espectro del pulso TDL a intervalos de la frecuencia de la onda de plasma. El "compresor" de la segunda etapa elimina la fase espectral del espectro TDL modulado y convierte el pulso TDL en una serie de pulsos cortos separados por el período de la onda de plasma. Finalmente, la tercera etapa, el "acelerador", utiliza trenes de pulsos para excitar resonantemente ondas de plasma de gran amplitud, que pueden usarse para acelerar electrones a energías en la escala GeV.
¿Cuáles son tus principales logros hasta el momento?
Un paso importante hacia este objetivo es el canal de plasma de ionización de fotocampo hidrodinámico (HOFI), en cuyo desarrollo mi grupo desempeñó un papel clave. Estos canales pueden guiar los extremadamente potentes pulsos láser que abarcan decenas de centímetros necesarios para acelerar los electrones a energías de varios GeV y son autosostenibles y, por lo tanto, “indestructibles”. Debido a que se generan ópticamente, pueden operar a altas tasas de repetición y, de hecho, han demostrado funcionar en kilohercios durante largos períodos de tiempo sin degradar el rendimiento. Es muy emocionante ver que el canal HOFI ha sido adoptado por varios grupos en todo el mundo y se está utilizando para acelerar electrones a energías de hasta 10 GeV.
También demostramos experimentalmente el funcionamiento de la etapa del acelerador P-MoPA. Esto se logró en experimentos en la Instalación Central de Láser. En este experimento, imitamos un tren de pulsos P-MoPA modulando el espectro de los pulsos de un láser Astra-Gemini Ti:zafiro. Este estudio demostró que un tren de pulsos con una energía total de aproximadamente 1 J puede excitar resonantemente ondas de plasma con amplitudes entre 3 y 10 GV/m. Esto corresponde a una ganancia de energía de partículas del orden de 1 GeV en una longitud de etapa de 11 cm.
¿Cuáles son las principales prioridades/enfoque del grupo para el próximo año?
Nuestra principal prioridad actual es demostrar el funcionamiento de las dos primeras etapas del plan P-MoPA.
La investigación se lleva a cabo en colaboración con el profesor Stefan Karsch de la Universidad Ludwig-Maximilians de Munich. Su laboratorio en el Centro de Aplicaciones Láser Avanzadas (CALA) tiene acceso a los láseres de disco delgado necesarios para esta investigación.
Ya hemos utilizado el láser de CALA para dirigir pulsos de láser TDL a escala de julios hacia largos canales HOFI y ahora nos estamos preparando para demostrar la modulación espectral de los pulsos TDL copropagándolos con ondas de plasma de baja amplitud impulsadas por pulsos cortos y de baja energía derivados de los pulsos TDL. Paralelamente, estamos desarrollando un sistema óptico para comprimir pulsos TDL espectralmente modulados en una serie de pulsos cortos. Entonces estaremos en condiciones de probar todo el concepto P-MoPA, lo que será un momento emocionante.
Tenga en cuenta: Este es un perfil comercial.
Este artículo también se publicará en el número 27 de la revista trimestral.
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