Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) projetaram um laser multi-petawatt compacto que usa grades de transmissão de plasma para superar as limitações de energia das grades ópticas convencionais de estado sólido. O projeto pode permitir a construção de um laser ultrarrápido até 1.000 vezes mais potente do que os lasers existentes do mesmo tamanho.
Os lasers de petawatt (quadrilhões de watts) dependem de grades de difração para amplificação de pulso chirped (CPA), uma técnica para esticar, amplificar e depois comprimir um pulso de laser de alta energia para evitar danos aos componentes ópticos. O CPA, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2018, está no centro da Capacidade Radiográfica Avançada do National Ignition Facility, bem como do antecessor do NIF, o Nova Laser, o primeiro laser de petawatt do mundo.

Com um limite de dano várias ordens de magnitude maior do que as grades de reflexão convencionais, as grades de plasma "nos permitem fornecer muito mais energia para a grade do mesmo tamanho", disse o ex-pós-doutorado do LLNL Matthew Edwards, co-autor de um Physical Review Applied artigo descrevendo o novo design publicado on-line em 9 de agosto. Edwards foi acompanhado no artigo pelo líder do grupo de interações Laser-Plasma, Pierre Michel.

"A óptica de foco de vidro para lasers poderosos deve ser grande para evitar danos", disse Edwards. "A energia do laser é espalhada para manter a intensidade local baixa. Como o plasma resiste a danos ópticos melhor do que um pedaço de vidro, por exemplo, podemos imaginar construir um laser que produza centenas ou milhares de vezes mais energia do que um sistema atual sem tornando esse sistema maior."

A LLNL, com 50 anos de experiência no desenvolvimento de sistemas de laser de alta energia, também é líder de longa data no projeto e fabricação das maiores grades de difração do mundo, como as grades de ouro usadas para produzir pulsos de petawatt de 500 joules no laser Nova na década de 1990. Grades ainda maiores, no entanto, seriam necessárias para a próxima geração de lasers multi-petawatt e exawatt (1.000-petawatt) para superar os limites de fluência máxima (densidade de energia) impostos pela óptica sólida convencional (consulte "Lentes de plasma holográficas para ultra-alta -Power Lasers").

Edwards observou que a óptica feita de plasma, uma mistura de íons e elétrons livres, é "bem adequada para um laser de alta taxa de repetição e alta potência média". O novo design poderia, por exemplo, possibilitar a instalação de um sistema de laser semelhante em tamanho ao L3 HAPLS (Sistema de Laser Petawatt Avançado de Alta Taxa de Repetição) na ELI Beamlines na República Tcheca, mas com 100 vezes a potência de pico.

Projetado e construído pela LLNL e entregue à ELI Beamlines em 2017, o HAPLS foi projetado para produzir 30 joules de energia em uma duração de pulso de 30 femtosegundos (quadrilionésimo de segundo), que é igual a um petawatt, e fazê-lo a 10 Hertz ( 10 pulsos por segundo).

"Se você imaginar tentar construir o HAPLS com 100 vezes a potência de pico na mesma taxa de repetição, esse é o tipo de sistema em que isso seria mais adequado", disse Edwards, agora professor assistente de engenharia mecânica na Universidade de Stanford.

"A grade pode ser refeita com uma taxa de repetição muito alta, então achamos que a operação de 10 Hertz é possível com esse tipo de projeto. No entanto, não seria adequado para um laser de onda contínua de alta potência média."

While plasma optics have been used successfully in plasma mirrors, the researchers said, their use for pulse compression at high power has been limited by the difficulty of creating a sufficiently uniform large plasma and the complexity of nonlinear plasma wave dynamics.

"It has proven difficult to get plasmas to do what you want them to do," Edwards said. "It's difficult to make them sufficiently homogenous, to get the temperature and density variations to be small enough, and so on."

"We're aiming for a design where that kind of inhomogeneity is as small a problem as possible for the overall system—the design should be very tolerant to imperfections in the plasma that you use."

Based on simulations using the particle-in-cell (PIC) code EPOCH, the researchers said, "we expect that this approach is capable of providing a degree of stability not accessible with other plasma-based compression mechanisms, and may prove more feasible to build in practice." The new design "needs only gas as the initial medium, is robust to variations in plasma conditions, and minimizes the plasma volume to make sufficient uniformity practical."

"By using achievable plasma parameters and avoiding solid-density plasma and solid-state optics, this approach offers a feasible path toward the next generation of high-power laser." + Explorar mais

Researchers design holographic lenses based on plasma