O amplificador de laser de alta potência de maior ganho do mundo - em muitas ordens de magnitude - foi desenvolvido em pesquisas conduzidas na Universidade de Strathclyde.

Os pesquisadores demonstraram a viabilidade de usar plasma para amplificar pulsos curtos de laser de energia de nível de picojoule de até 100 milijoules, que é um 'ganho' ou amplificação de mais de oito ordens de magnitude - o que poderia ser comparado à amplificação do som de folhas sussurrantes ao de um jato jumbo - em apenas dois mm de plasma.

Eles usaram pulsos de 150 J do poderoso sistema de laser Vulcan na Central Laser Facility (CLF) do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia. Ao longo de dois experimentos pioneiros na CLF, os cientistas trabalharam em estreita colaboração com a equipe do CLF para adaptar o laser Vulcan para que dois lasers de cores diferentes pudessem trocar energia em um plasma. O coeficiente de ganho medido de 180 cm-1 é mais de 100 vezes maior do que o alcançável com amplificadores de sistema de laser de alta potência existentes baseados em mídia de estado sólido.

Os resultados foram publicados na revista Relatórios Científicos , em um artigo intitulado Um ganho ultra-alto e amplificador eficiente baseado na amplificação Raman no plasma.

Professor Dino Jaroszynski, do Departamento de Física de Strathclyde, liderou a pesquisa. Ele disse:"A amplificação Raman no plasma é um conceito fascinante que combina as idéias do ganhador do Prêmio Nobel de Física CV Raman com plasma, física óptica e laser.

Aqui, relativamente longo, pulso de laser de alta energia é feito para colidir no plasma com um curto, pulso de energia muito baixa. No ponto em que colidem, eles produzem uma onda beat, muito parecido com o de duas ondas de água colidindo. A leve pressão do padrão de batimento leva os elétrons do plasma a um padrão ou escalão regular que imita a onda de batimento. Este escalão multicamadas atua como uma refletividade muito alta, espelho variável no tempo que varre a energia do pulso de alta energia refletindo no pulso de baixa energia, amplificando assim o pulso de baixa energia e comprimindo sua energia em um pulso de luz de duração ultracurta.

"Nossos resultados são muito significativos, pois demonstram a flexibilidade do meio de plasma como um meio amplificador de alto ganho. Também mostramos que a eficiência do amplificador pode ser muito grande, pelo menos 10%, o que é sem precedentes e pode ser aumentado ainda mais. Contudo, também mostra o que ainda precisa ser compreendido e controlado para atingir um único estágio de alto ganho, módulo amplificador de alta eficiência.

"Um exemplo dos desafios que ainda enfrentamos é como lidar com a amplificação do 'ruído' produzido por flutuações aleatórias do plasma, o que é exacerbado pelo ganho extremamente alto. Isso leva a canais indesejáveis ​​para a passagem da energia. Estamos fazendo um excelente progresso e acreditamos que estamos em uma excelente posição para resolver esses problemas em nossas próximas campanhas experimentais. "

Dr. Gregory Vieux, que liderou a equipe de pesquisa que trabalhava na CLF, disse:"O plasma é um meio muito atraente para trabalhar. Não tem limite de danos, pois já é um meio totalmente degradado, portanto, podemos usá-lo para amplificar pulsos curtos de laser sem a necessidade de alongamento e recompressão. Outra vantagem é que mais compressão durante a amplificação é teoricamente possível. Isso pode abrir caminho para o desenvolvimento da próxima geração de sistemas de laser, que fornecem pulsos ultra intensos e ultracurtos e por uma fração do custo dos lasers existentes.

"Ainda, ainda não chegamos lá. O esquema depende do controle da instabilidade Raman. Ele tem um fator de crescimento tão grande que pode se desenvolver e crescer a partir de pequenas flutuações plasmáticas. "

Os amplificadores a laser são dispositivos que amplificam a luz. Naqueles que são familiares para nós, isso é feito sincronizando a emissão de luz de elétrons em átomos ou matéria de estado sólido, para torná-lo coerente, que é um passo necessário para alcançar poderes muito elevados. Contudo, lasers de altíssima potência na fronteira da tecnologia são limitados por danos aos seus componentes ópticos e meios de amplificação. Isso os torna muito grandes e muito caros.

Plasma, o meio onipresente do universo, oferece uma maneira de contornar essa limitação porque é muito robusto e resistente a danos - o plasma pode ser visto como matéria que já foi decomposta em seus menores elementos constituintes:elétrons e íons. Aproveitando as ondas do plasma, podemos reduzir drasticamente o tamanho dos amplificadores de laser, ao mesmo tempo que fornece uma rota para potências de pico muito mais altas do que é possível agora, excedendo a faixa de petawatt para possivelmente alcançar exawatts. Este é um objetivo muito válido porque pulsos de laser muito intensos podem ser usados ​​para estudos fundamentais, como partículas em aceleração, ajudando a impulsionar a fusão nuclear ou mesmo extraindo partículas do vácuo e recriando as condições dentro das estrelas ou a condição primordial do universo em laboratório.

Os lasers de maior potência do mundo estarão disponíveis para uso em três centros de pesquisa que fazem parte do projeto European Extreme Light Infrastructure (ELI). Este projeto de € 850m é dedicado ao estudo das interações luz-matéria nas mais altas intensidades e nas menores escalas de tempo. A potência do laser no ELI será de 1016 Watts ou 5% da potência total do Sol que é absorvida pela Terra a qualquer momento. Esses lasers levarão a novas ciências e tecnologias que podem, por exemplo, transformar nossa compreensão da física de alto campo e resultar em novas modalidades de radioterapia para o tratamento do câncer. É necessário reduzir o custo da tecnologia laser, que o plasma pode oferecer. O plasma pode ser uma rota para poderes superiores ir além daqueles disponíveis no ELI para alcançar poderes de exawatt.