p Alinhando uma sequência de amplificadores e espelhos com a precisão de um cabelo em uma mesa ancorada a um bloco de aço no subsolo, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) produziram um poderoso laser verde. A luz - o laser verde de maior potência média já gerado por um único laser baseado em fibra - será crucial para experimentos em física nuclear no Laboratório Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). p "Quando a luz verde atinge um alvo 27 metros a jusante desta mesa, vai gerar pulsos de elétrons necessários para resfriar os feixes de íons no RHIC para mantê-los em colisão, "disse o físico de Brookhaven Zhi Zhao, que construiu o sistema a laser e é o autor principal de um artigo que descreve seus atributos em Optics Express , um jornal da Optical Society of America. Além de resfriar os feixes de íons no RHIC, esse laser verde de alta potência também pode ter aplicações no processamento de materiais, usinagem a laser, e gerando outros lasers.

p Usando elétrons para resfriar feixes de íons

p Altas taxas de colisão no RHIC geram resmas de dados para o 1, 000 físicos nucleares que vêm a este DOE Office of Science User Facility para estudar os detalhes intrincados dos blocos de construção da matéria. As colisões reduzem os blocos de construção à sua forma mais primitiva - uma sopa de partículas fundamentais que imita as condições do universo primitivo. Mas, à medida que os íons circulam pelos túneis de circunferência de 2,4 milhas do RHIC, eles tendem a aquecer e se espalhar, diminuindo as chances de ocorrência de colisões.

p "O espalhamento intra-feixe faz com que os íons se espalhem e se percam, então o feixe não sobrevive, "disse a física aceleradora do RHIC, Michiko Minty, um co-autor no artigo e líder do projeto para desenvolver e integrar este laser nas operações do colisor RHIC.

p O aquecimento é um problema particular quando os feixes de íons estão circulando com energias relativamente baixas - em uma faixa que os cientistas do RHIC estão usando para estudar aspectos interessantes de como a sopa primordial se transforma em prótons e nêutrons mais familiares. Assim, os físicos do RHIC têm explorado maneiras de injetar periodicamente um fluxo de elétrons relativamente frios para tirar parte do calor dos íons.

p "O objetivo do resfriamento de elétrons é parar a propagação dos feixes de íons para maximizar a taxa de colisão, "Disse Minty.

p O resfriamento de elétrons teve sucesso em outros aceleradores de partículas. Mas, no RHIC, os físicos estão explorando novas estratégias para gerar feixes de elétrons com energias eletrônicas muito altas (bilhões de elétron-volts), que requer o uso de aceleração linear por radiofrequência de cachos energéticos.

p "Temos que fazer feixes de elétrons que se sobrepõem aos feixes de íons, e os cachos de íons se repetem. Então, queremos gerar um conjunto de trens de pulso de elétrons que se propaguem com os íons para que a energia dos íons possa ser transferida para os elétrons, fazendo o feixe de íons encolher, "Disse Minty.

p A ideia é usar pulsos de laser para atingir um material foto-emissivo - um material que emite elétrons quando atingido com o comprimento de onda certo, ou cor, de luz - dentro de um canhão de elétrons fotocátodo. No caso do fotocátodo instalado no canhão de elétrons no RHIC, a cor mágica é verde.

p (Luz infravermelha, luz verde, 1, 2, 3!

p Para fazer o sinal verde, a equipe Brookhaven começou com algo invisível, um laser de "semente" infravermelho (IR) com potência relativamente baixa. Eles enviam pulsos modulados dessa luz infravermelha invisível por meio de uma série de fibras ópticas para amplificar a potência.

p À medida que a luz de uma "bomba" de laser IR adicional entra na fibra, ele excita os elétrons no material que reveste a fibra. Quando esses elétrons relaxam de volta ao seu "estado fundamental, "eles emitem fótons de luz no comprimento de onda IV, perfeitamente em sincronia com as ondas de IR iniciais, aumentando gradualmente a intensidade do sinal em vários estágios do amplificador de fibra.

p Assim que a potência desejada for alcançada, o laser infravermelho atinge um cristal de "duplicação de frequência".

p "Quando dois fótons de luz infravermelha atingem o cristal, ele emite um fóton de um comprimento de onda mais curto, "Zhao explicou." A duplicação da frequência essencialmente corta o comprimento de onda pela metade, alterando a entrada de infravermelho para luz verde visível. "

p A luz laser verde zigue-zagueia ao longo de caminhos guiados por espelhos na mesa por meio de vários componentes ópticos para otimizar a saída do laser líquido. Isso inclui vários cristais usados ​​para converter pulsos de laser curtos em uma série de pulsos múltiplos (modelagem temporal), uma variedade de lentes para produzir o perfil transversal desejado dos pulsos de laser (modelagem espacial), e as chamadas placas de meia onda, usadas para passar ou rejeitar a passagem do feixe de laser para controlar a intensidade geral do laser.

p Depois disto, a luz do laser é guiada para uma série de moduladores ópticos elétricos - "dispositivos que cortam seções da luz do laser para produzir a sequência desejada de pulsos de laser - uma sequência que corresponde à estrutura dos feixes de íons a serem resfriados, "Minty explicou.

p O objetivo é cronometrar os pulsos para corresponder à frequência do canhão de elétrons para que os elétrons resultantes possam ser acelerados para corresponder perfeitamente aos íons acelerados que circulam no RHIC.

p "No final, é a velocidade do feixe de íons que 'decide' o que precisamos, e tudo tem que ser combinado com isso. Obtemos um sinal das cavidades de aceleração de íons que é usado para gerar os sinais de temporização para os componentes que geram a estrutura de pulso de laser, "Disse Minty.

p Ancorando e testando a luz

p Os lasers de fibra são especialmente adequados para gerar feixes de elétrons de alto brilho em injetores de elétrons de fotocátodo. A alta relação superfície-volume da fibra suporta a geração e entrega de pulsos de laser com alta taxa de repetição e alta potência média do laser. Também, a dinâmica da propagação da luz do laser através da fibra leva a excelentes perfis de laser, baixas variações na posição do laser, e operação livre de manutenção. Juntas, essas propriedades resultam na operação de longo prazo de um laser altamente estável, o que é essencial para os programas de física RHIC.

p Dois fatores-chave que os cientistas precisam controlar são a taxa de extinção do laser - a diferença entre o laser estar ligado e desligado - e sua estabilidade.

p "Se você tiver luz presente quando não deveria estar, você obterá elétrons residuais, que pode produzir efeitos indesejáveis, "Disse Minty." Nosso objetivo é um fator de 10-6, o que significa que quando dizemos que está desligado, está desligado, e apenas um em um milhão de elétrons passará. "

p Para estabilidade, os cientistas precisam garantir que o caminho da luz não se desvie mais de 10 mícrons de seu ponto de partida para a arma fotocátodo no túnel RHIC, mesmo com todas as etapas de amplificação e caminhos em zigue-zague na mesa.

p "Geral, o caminho tem cerca de 30 metros - 3 metros na mesa com 40 espelhos criando o caminho em zigue-zague e 27 metros na linha de transferência, "disse Zhao, estando dentro do trailer móvel que aloja o laser fora do anel RHIC.

p "Nós estabilizamos a mesa cavando um grande buraco e enterrando um bloco de aço de 50 toneladas no nível do lençol freático de Long Island, e furos no trailer para prender a mesa do laser a esse bloco, "Disse Minty." Você pode pular para cima e para baixo no chão aqui e a mesa não se moverá, " ela adicionou, apontando postes superestáveis ​​que sustentam espelhos e outros componentes-chave na mesa isolada de movimento.

p Também, os longos tubos evacuados através dos quais o laser viaja são desacoplados de várias mesas ópticas menores entre o trailer e o canhão de elétrons localizado dentro do gabinete RHIC. Essas mesas abrigam óticas e espelhos com suportes igualmente projetados para estabilidade térmica e vibracional.

p A equipe, que também incluía Brian Sheehy (recentemente aposentado) e uma nova adição, Patrick Inacker - já alcançou dois marcos significativos para o experimento de resfriamento de elétrons de baixa energia. Em 9 de março, 2017, eles transportaram com sucesso um laser de alinhamento por todo o sistema de transporte de laser, seguido em 5 de abril pelo primeiro transporte bem-sucedido usando a luz laser verde. Os primeiros testes de resfriamento de elétrons devem começar durante as operações do RHIC no final de 2018 e no início de 2019.