Crean el amplificador de láser más poderoso del mundo

(Agencia N+1 / Vladimir Koroliev). Un equipo de físicos del Reino Unido, Corea del Sur, Francia y los EE.UU. ha desarrollado un amplificador de láser con una ganancia extremadamente alta que permite aumentar la energía del pulso láser en cientos de millones de veces. A manera de ilustración, los científicos señalan que esto es equivalente a amplificar el sonido de una hoja que cae de un árbol al nivel del ruido de un motor de avión. El instrumento está basado en el efecto de Raman aplicado en la amplificación del plasma, una fuente de energía láser en magnitud de petawatts, considerada como una de las más poderosas del mundo. Además de la posibilidad de amplificar los pulsos en picojoules (10-12 joules) a 10 milijoules (10-1 joules), la nueva técnica posee una efectividad de al menos el 10%, bastante alta para los estándares actuales. La investigación ha sido publicada en el journal Scientific Reports. Por su parte, la Universidad de Strathclyde, en Glasgow, compartió una nota de prensa que salió publicada en el portal Phys.org.

La amplificación de la radiación láser es un elemento importante en los circuitos de telecomunicaciones y en muchos experimentos ópticos, en particular, en aquellos que se ocupan de la interacción entre la luz y la materia. La radiación de alta intensidad permite, por ejemplo, investigar el surgimiento del par electrón-positrón en el vacío, así como replicar las condiciones y procesos que se dan al interior de una estrella.

Cómo se logra. Existen varios esquemas diferentes para amplificar la radiación, pero todos parten de un mismo concepto. La señal de pulsos, que debe de ser amplificada, interactúa con un ambiente que contiene un excedente de energía (por ejemplo, los átomos excitados en la fibra óptica). Bajo ciertas condiciones, la emisión de fotones en este medio se sincronizan con los fotones de la señal de pulsos, y los nuevos fotones se añaden a los pulsos, haciéndolos más fuertes. En el caso de los amplificadores semiconductores, la ganancia puede ser mil veces superior.

Sin embargo, cuanta más energía se necesite para el pulso láser, más difícil será obtener la ganancia: la radiación del láser simplemente destruye el material del amplificador. Por ello, obtener una gran energía de este tipo es extremadamente complicado, requiere de complejas y costosas instalaciones. Pero una manera de evitar la destrucción consiste en utilizar un medio que ya “destruido”, como el plasma (un gas que recibe carga de energía de manera que algunos de sus átomos van perdiendo electrones). Hasta ahora, según los autores, los mejores resultados de la amplificación en plasma aumentan la energía de los pulsos de 16 microjoules a 5.6 milijoules.

La prueba. Gracias al plasma, los autores de la nueva investigación obtuvieron una amplificación extremadamente alta entre los sistemas láser existentes, en un orden ocho veces mayor, es decir, de 100 picojoules a pulsos de 100 milijoules. De acuerdo a lo señalado en el paper, esto supera en 100 veces la capacidad de amplificación de las instalaciones tradicionales basadas en medios en estado sólido.

El experimento se realizó del siguiente modo. Se formó un plasma de hidrógeno gracias a los pulsos infrarrojos en petajoules del láser Vulcan. En uno de los 10 picosegundos, el impulso contuvo hasta 100 joules de energía. Al mismo tiempo, se generó un segundo pulso débil de picosegundos con una suma total de energía en el orden de los 100 picojoules. Debido a la alta energía de bombeo del láser principal en el plasma, se sucedieron una serie de procesos no lineares. Los físicos explican que debido a la interacción entre dos pulsos se generó una ola de plasma, la cual trabajó a manera de espejo. Como resultado, una parte de la energía del bombeo se convirtió en energía de señal de pulso.

La energía dispersa como resultado de la amplificación de Raman alcanzó los 170 milijoules. Aunque cerca de la mitad de esa energía, 70 milijoules, es resultadnte de la amplificación de las fluctuaciones del plasma. Esta imperfección no permite dar uso de estos amplificadores en su máxima capacidad, pero en potencias menores del bombeo del láser, la proporción de ruido es mucho menor. De acuerdo al cálculo de los autores, la eficiencia del amplificador en la instalación alcanza el 10% (en trabajos previos esta cifra era del 6.4%).