Los pulsos de láser de registro permiten estudiar la astrofísica en el laboratorio

Concepto de artista.

Los investigadores muestran que la fuerza récord del pulso láser supera los 10^23: W / cm^2: utilizando láseres de petavatios en el Centro de Ciencia Relativista Láser (CoReLS), Instituto de Ciencias Básicas, República de Corea. Se necesitaron más de una década para lograr esta intensidad láser, que es diez veces más que los datos reportados por un equipo de la Universidad de Michigan en 2004. Los pulsos de luz de esta superintensidad permitirán estudiar interacciones complejas de luz y materia de formas previamente imposibles.

Se pueden utilizar potentes láseres para detectar fenómenos que supuestamente son responsables de los rayos cósmicos de alta energía que tienen más de un cuatrillón (1015) electronvoltios (eV) de energía. Aunque los científicos saben que estos rayos se originaron en algún lugar fuera de nuestro sistema solar, cómo se fabrican y cómo se originan ha sido un misterio durante mucho tiempo.

«Estos láseres de alta intensidad nos permitirán estudiar fenómenos astrofísicos como la dispersión electrón-fotón-fotón-fotón en el laboratorio», dijo ChaRN Hee Nam, director de CoReLS y profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Guangzhou. «Podemos usarlo para probar y obtener acceso a ideas teóricas, algunas de las cuales se propusieron por primera vez hace casi un siglo».

Adentro ÓPTICO:, La revista The Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto, los investigadores informan los resultados de años de trabajo para aumentar la intensidad de los pulsos láser de los láseres CoReLS. El estudio de las interacciones de los materiales láser requiere un rayo láser muy enfocado. Los investigadores pudieron enfocar los pulsos láser en un tamaño de punto de más de una micra, menos de una quincuagésima parte del diámetro de un cabello humano. El nuevo récord de intensidad del láser es comparable al hecho de que toda la luz de la tierra alcanza el punto de 10 micrones.

Los investigadores crearon pulsos de alta intensidad utilizando el láser de petavatios (en la foto) en el Centro de Ciencia Relativista del Láser (CoReLS) en la República de Corea. Estos láseres de alta intensidad permitirán a los científicos estudiar fenómenos astrofísicos como la dispersión electrón-fotón և fotón-fotón en el laboratorio. Préstamo: Chang Hee Nam, CoReLS

«Estos láseres de alta intensidad nos permitirán resolver una ciencia nueva y desafiante, especialmente la fuerte electrodinámica de campo cuántico en la que los teóricos han estado trabajando», dijo Nam. «Además de comprender mejor los fenómenos astrofísicos, también puede proporcionar la información necesaria para crear nuevos tipos de radioterapia que utilizan protones de alta energía para tratar el cáncer».

Haciendo los impulsos más intensos

El nuevo avance amplía el trabajo anterior en el que los investigadores demostraron un sistema láser de femtosegundos basado en Ti. En Sapphire, que produce pulsos de 4 petavatios (PW) de menos de 20 femosegundos, mientras que se enfoca en 1 micrómetro. Este láser, informado en 2017, produce alrededor de 1.000 veces más energía que toda la electricidad de la Tierra en un pulso de láser, que es de solo veinticuatro mil millonésimas de segundo.

Los pulsos ópticos generados para producir pulsos de láser de alta intensidad en el objetivo deben centrarse muy de cerca. En este nuevo trabajo, los investigadores utilizan un sistema óptico adaptativo para compensar con precisión las distorsiones ópticas. Este sistema incluye espejos deformables con una superficie reflectante controlada para corregir con precisión la distorsión láser և para generar un rayo con un frente de onda muy bien controlado. Después de eso, usaron un gran espejo parabólico sin eje para lograr un enfoque extremadamente fuerte. Este proceso requiere un buen enfoque en el sistema óptico.

Cámara de interacción láser-cámara para aceleración de protones con una intensidad focal superior a 10^23: W / cm^2: Se ha demostrado que se enfoca de cerca en un rayo láser multieje con un espejo parabólico fuera del eje F / 1.1. Préstamo: Chang Hee Nam

«Nuestros años de experiencia en el desarrollo de láseres eléctricos ultrasónicos nos han permitido realizar la tremenda tarea de concentrar láseres PW en un radio de 28 cm en micrómetros para lograr una intensidad de láser de más de 10».^23: W / cm^2:«- dijo Nam.

Estudio de procesos de alta energía

Los investigadores utilizan estos pulsos de alta intensidad para generar electrones con energías superiores a 1 GeV para operar en un modo no lineal en el que un electrón se expone a varios cientos de fotones láser a la vez. Este proceso es un tipo de electrodinámica cuántica de campo fuerte llamado dispersión de Compton no lineal, que supuestamente contribuye a la generación de rayos cósmicos de energía extrema.

Para acelerar los protones, utilizarán la presión de radiación generada por el láser de alta potencia. Comprender cómo ocurre este proceso puede ayudar a crear una nueva fuente de protones basada en láser para el tratamiento del cáncer. Las fuentes que se utilizan en la radioterapia actual son creadas por un acelerador que requiere un enorme escudo de radiación. Se espera que la fuente de protones láser reduzca el costo del sistema, haciendo que la máquina de oncología de protones sea menos costosa y, por lo tanto, esté más disponible para los pacientes.

Los investigadores continúan desarrollando nuevas ideas para aumentar la intensidad del láser sin aumentar significativamente el tamaño del sistema láser. Una forma de hacer esto sería encontrar una nueva forma de reducir el pulso de un pulso láser. Dado que los láseres de pico, que van de 1 a 10 PW, están ahora en funcionamiento, y se planean varios dispositivos de hasta 100 PW, no hay duda de que la física de alta intensidad dará grandes pasos en el futuro cercano.

Referencia. «Realización de la intensidad del láser superior a 10^23: W / cm^2:Autor: JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee, CH Nam, 6 de mayo de 2021, ÓPTICO:,
DOI: 10:1364 /ÓPTICA:420520: