Nueva técnica descubierta para la compresión de pulsos láser ultrapotente

Abstracto

Proponemos un nuevo método de compresión de pulsos láser para potencias ultraaltas basado en la dispersión espacialmente variable de un plasma no homogéneo. Aquí, la compresión se logra cuando un pulso láser largo de frecuencia negativa se refleja en la rampa de densidad de una lámina de plasma superdensa. A medida que la densidad aumenta longitudinalmente, los fotones de alta frecuencia en la parte principal del pulso láser penetran más profundamente en la región del plasma que los fotones de baja frecuencia, lo que resulta en una compresión del pulso de una manera similar a la de un espejo chirriado. Las simulaciones de prueba de principio realizadas utilizando códigos de simulación de partículas en la celda predicen la compresión de un pulso láser de 2,35 ps a 10,3 fs, una proporción de 225. Debido a que el plasma es robusto y resistente a daños a altas intensidades, a diferencia de las rejillas de estado sólido comúnmente Se utiliza en la amplificación de pulsos chirriados: el método se puede utilizar como compresor para alcanzar potencias máximas de exavatios o zettavatios.

Un equipo de investigadores internacionales ha logrado un avance significativo en la tecnología láser y ha revelado un nuevo método para comprimir pulsos láser a potencias ultraaltas. El innovador estudio, dirigido por el profesor Min Sup Hur del Departamento de Física de UNIST, el profesor Hyong Suk de GIST y el profesor Dino A. Jaroszynski de la Universidad de Strathclyde, Reino Unido, presenta un nuevo enfoque basado en la dispersión espacialmente variable de partículas no homogéneas. .

Tradicionalmente, la compresión de pulsos láser se basa en rejillas de estado sólido o espejos chirriados. Sin embargo, esta técnica innovadora aprovecha la rampa de densidad de una placa de plasma excesivamente densa para lograr la compresión del pulso. A medida que la densidad del plasma aumenta longitudinalmente, diferentes frecuencias de fotones dentro del pulso láser penetran en la región del plasma a diferentes profundidades. Esta penetración selectiva da como resultado la compresión del pulso, similar al mecanismo de un espejo chirriante.

El equipo realizó simulaciones de prueba de principio utilizando códigos de simulación de partículas en la celda, que demostraron la compresión de un pulso láser de 2,35 ps a una duración sorprendentemente corta de 10,3 fs. Esta relación de compresión de 225 abre nuevas posibilidades para alcanzar potencias máximas de exavatios o zettavatios, ya que el plasma es más robusto y resistente a daños a altas intensidades en comparación con las redes de estado sólido convencionales.

“Este estudio presenta una manera de superar las limitaciones de las técnicas anteriores de compresión láser y tiene implicaciones de gran alcance para varios campos, incluida la investigación industrial y energética, la litografía de semiconductores, la fusión láser y la astrofísica de próxima generación”, enfatizó el profesor. Min Sup Hur de UNIST.

El método Chirped Pulse Amplification (CPA), que ganó el Premio Nobel de Física 2018, revolucionó la tecnología láser y amplió sus aplicaciones en múltiples dominios. Sin embargo, la comunidad científica ha buscado ansiosamente métodos para lograr intensidades láser aún mayores. El enfoque propuesto recientemente, que utiliza plasma no homogéneo, representa un paso importante para satisfacer esta demanda.

El plasma, un estado gaseoso separado en electrones e iones a altas temperaturas, ofrece una ventaja única sobre los espejos de difracción tradicionales. A diferencia de los espejos, el plasma no es propenso a sufrir daños, lo que lo convierte en un material excelente para comprimir pulsos láser. Al explotar esta propiedad, el equipo de investigación prevé utilizar plasma para generar láseres con intensidades superiores a los niveles de exavatios.

«El plasma puede actuar como una alternativa muy eficaz a los espejos de difracción convencionales, compensando las limitaciones de la tecnología CPA existente», explicó el profesor Hyong Suk de GIST. «Con sólo unos pocos centímetros de plasma podemos conseguir láseres de altísima potencia, por encima del límite de los exavatios».

Las implicaciones de este avance van más allá de la tecnología láser. Los láseres de potencia ultraalta se han convertido en herramientas vitales para investigar cuestiones fundamentales relacionadas con el espacio, la materia y las propiedades del espacio-tiempo, como destacó el Profesor Dino A. Jaroszynski de la Universidad de Strathclyde.

Los resultados de la investigación se publicaron en línea el 13 de noviembre en la prestigiosa revista científica Nature Photonics. El estudio recibió el apoyo del Ministerio de Ciencia y TIC/Fundación de Investigación de Corea, el Proyecto de Apoyo al Crecimiento de Talento de Innovación Industrial de la Escuela de Graduados en Semiconductores de UNIST y el Comité de Investigación de Ciencia e Ingeniería de UKRI/Reino Unido.

Esta innovadora investigación allana el camino para una nueva era de láseres de potencia ultraalta, que ofrece posibilidades sin precedentes para la exploración científica, la investigación energética y las aplicaciones industriales. Los descubrimientos del equipo prometen acelerar los avances en física teórica y astrofísica, al tiempo que sirven como piedra angular en la búsqueda para abordar los apremiantes desafíos energéticos que enfrenta la humanidad.

Referencia de la revista

Min Sup Hur, Bernhard Ersfeld, Hyojeong Lee, et al., «Compresión de pulso láser mediante un plasma de gradiente de densidad para láseres de exavatios a zettavatios», Nat. Photon., (2023).