Pulsos de laser de alta potência focados em pequenos pontos para atingir intensidades incríveis permitem uma variedade de aplicações, variando de pesquisa científica à indústria e medicina. No Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, por exemplo, intensidade é a chave para construir aceleradores de partículas milhares de vezes mais curtos do que os convencionais que alcançam a mesma energia. Contudo, aceleradores de plasma a laser (LPAs) requerem intensidade sustentada por muitos centímetros, não apenas um foco pontual que se expande rapidamente por causa da difração.

Para alcançar intensidade sustentada, o Centro BELLA, no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), usa estruturas ocas finas, ou "capilares, "contendo um plasma para transportar os pulsos de luz. Os cientistas do BELLA Center têm se esforçado para capilares cada vez mais longos enquanto se esforçam para obter energias de feixe mais altas com seus LPAs.

Seus últimos programas de trabalho, com maior precisão do que nunca, que esses guias de onda de plasma são extremamente estáveis ​​e de alta qualidade reproduzível, e que essas características podem ser mantidas em distâncias de até 40 centímetros. Ele confirma que esta tecnologia chave para LPAs pode ser ampliada conforme o Centro BELLA empurra para energias mais altas, beneficiando aplicações potenciais que variam de pesquisa e tratamento biomédico a fontes de luz de laser de elétrons livres para instalações de pesquisa.

O trabalho, liderado pela pós-doutoranda Marlene Turner, trabalhar com o cientista da equipe Anthony Gonsalves - é descrito em um estudo publicado na revista Ciência e engenharia de laser de alta potência .

"Este trabalho mostra que os capilares podem produzir alvos de plasma extremamente estáveis ​​para aceleração e que as variações observadas no desempenho do acelerador são principalmente impulsionadas pela flutuação do laser, que indica a necessidade de controle de feedback de laser ativo, "disse Cameron Geddes, diretor da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada, organização-mãe do Centro BELLA.

Canais de plasma fornecem orientação consistente para pulsos poderosos

A fibra óptica pode transportar pulsos de feixe de laser por milhares de quilômetros, um princípio familiar nas redes de computadores modernas. Contudo, com as altas intensidades de laser usadas no BELLA Center (20 ordens de magnitude mais intensas do que a luz do sol na superfície da Terra), elétrons seriam removidos quase instantaneamente de seus átomos pais pelo campo de laser, destruindo materiais sólidos, como fibras de vidro. A solução é usar plasma, um estado da matéria em que os elétrons já foram removidos de seus átomos, como uma "fibra".

O BELLA Center tem usado plasmas para guiar pulsos de laser em distâncias de até 20 centímetros para atingir as energias de partícula acionadas por laser mais altas até hoje. O plasma é criado por uma descarga elétrica dentro do capilar. É aqui que os elétrons "surfam" uma onda de campo elétrico ultra-alto criado pelo pulso de laser. Quanto mais tempo o foco sustentado, mais rápido eles estarão no final do passeio.

Contudo, a quebra de gás em uma descarga elétrica é um evento violento e amplamente descontrolado (imagine um pequeno, raio confinado). Traçando um caminho para energias cada vez mais altas e controle de precisão no Centro BELLA, os pesquisadores precisavam saber o quão reprodutíveis são as características de guia de onda de um pulso de laser para outro, e quão bem cada pulso de laser pode ser guiado.

A fim de fornecer resultados de orientação de onda análogos a uma fibra óptica, a densidade do plasma deve ser mais baixa no centro, com um perfil matematicamente descrito como parabólico. "Nós mostramos, com precisão sem precedentes, que os perfis de plasma são realmente muito parabólicos em relação ao tamanho do ponto de pulso de laser que eles foram projetados para guiar, "disse Gonsalves." Isso permite a propagação do pulso no guia de ondas sem degradação da qualidade. "

Outros tipos de guias de onda de plasma (há várias maneiras de criá-los) também podem ser medidos com alta precisão usando esses métodos.

A precisão da medição também foi ideal para investigar o quanto o perfil de densidade muda de um disparo de laser para outro, visto que embora o capilar seja durável, o plasma que guia as ondas dentro dele é formado novamente a cada vez. A equipe encontrou excelente estabilidade e reprodutibilidade.

"Esses resultados, junto com nosso trabalho contínuo em feedback ativo auxiliado por técnicas de aprendizado de máquina, são um grande passo para melhorar a estabilidade e usabilidade dos aceleradores de plasma a laser, "disse Eric Esarey, diretor do Centro BELLA. (Feedback ativo para estabilizar as flutuações do laser também é assunto de pesquisa e desenvolvimento no Centro BELLA.)

Pulsos de laser guiados iluminam um caminho em direção ao progresso

A tecnologia de aceleração de plasma a laser pode reduzir o tamanho e o custo dos aceleradores de partículas - aumentando sua disponibilidade para hospitais e universidades, por exemplo, e, finalmente, trazendo esses benefícios para um colisor de partículas de próxima geração para física de alta energia. Uma das chaves para aumentar a energia do feixe de partículas além do recorde atual de 8 bilhões de elétron-volts (GeV) é o uso de canais de aceleração mais longos; outra é "encenação, "ou o uso da saída de um módulo de aceleração como entrada para outro. Verificar a qualidade do canal de plasma onde a aceleração ocorre - e a consistência e reprodutibilidade dessa qualidade - dá um voto de confiança na base da tecnologia destes planos.

Além de mostrar que este guia de onda baseado em capilar é de alta e consistente qualidade, este trabalho envolveu guias de ondas duas vezes mais longos do que o usado para atingir o recorde de energia. "Os guias de onda de precisão de 40 centímetros de comprimento que desenvolvemos agora podem elevar ainda mais essas energias, "disse Turner.