27 de febrero de 2023 (Noticias de Nanowerk) Un pulso láser que navega a raíz de un pulso de haz de electrones podría cambiar de luz visible a luz ultravioleta extrema, según han demostrado simulaciones realizadas en la Universidad de Michigan. El enfoque podría permitir una generación más eficiente de luz láser de alta energía, tal vez incluso de rayos X. La simulación 3D mostró un aumento de diez veces en la frecuencia de la luz, mientras que la simulación 1D aumentó hasta 50 veces. En principio, los investigadores dicen que es posible continuar amplificando la energía del pulso láser extendiendo el período de tiempo que puede viajar en la estela del haz de electrones. "Futuros láseres, incluidos potencialmente los que se usan para modelar chips semiconductores para computadoras, podrían aprovechar este efecto para producir pulsos de energía más altos de manera más eficiente", dijo Alec Thomas, profesor de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas de la UM y autor correspondiente del estudio en Physical Review Letters (“Aceleración de fotones de óptica a XUV”).
Una simulación en 3D de la estela detrás del haz de electrones (púrpura) y cómo un pulso de luz (franja azul y roja) podría navegar detrás de él. La estela de plasma se muestra alternando amarillo para la ausencia de electrones y verde para los picos en la densidad de electrones. Cuando un pulso de luz se encuentra en ese límite, puede ganar energía continuamente; el truco es mantenerlo allí. (Imagen: Ryan Sandberg, High Field Science Group) Un aumento de diez veces en la frecuencia es suficiente para convertir la luz visible en radiación ultravioleta extrema, y el método también mantiene la alineación de las ondas en el pulso láser inicial, conocido como coherencia. Además, la energía del pulso aumenta con la frecuencia, lo que permite potencias máximas de hasta 100 billones de vatios. Esto es más que la producción de la capacidad de generación eléctrica del mundo, por una fugaz milmillonésima de segundo. Los investigadores anticipan que este fenómeno podría ahorrar una cantidad importante de energía en los laboratorios de fabricación de semiconductores y física láser, aunque prefieren no estimar cuánto hasta confirmar el hallazgo con experimentos. Así es como funciona: comienza con un pulso corto de electrones que viajan cerca de la velocidad de la luz. Cuando viajan a través de un gas, lo desgarran o lo ionizan, creando un estado de la materia llamado plasma en el que los electrones se desprenden de sus átomos. En lo que respecta al pulso de electrones, los iones pesados cargados positivamente están estacionarios, pero los electrones sueltos forman una estela detrás del pulso de electrones. "Es como una lancha motora que vuela por el agua, empujando el agua detrás de él", dijo el primer autor Ryan Sandberg, un Ph.D. de la UM. se graduó en matemáticas aplicadas e interdisciplinarias y computación científica y ahora es investigador en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. "El pulso de electrones se abre paso, y el pulso de láser es muy similar a alguien sentado detrás de la lancha a motor tratando de surfear esta estela". Ese pulso láser de wakesurf, que se encuentra justo delante de la primera ola de electrones sueltos que siguen al haz de electrones, recogerá la energía de la estela. Lo hace porque la densidad bastante alta de electrones sueltos, bordeados por un área de la que están ausentes en gran medida, crea un límite donde la luz del láser se mueve de manera diferente a cada lado. Cuando las ondas de luz salen de los electrones sueltos, los picos y valles se juntan, cambiando el pulso del láser a una frecuencia de luz más alta y más energética.
Vista lateral de una simulación en 3D de la estela detrás del haz de electrones (púrpura) y cómo un pulso de luz (franja azul y roja) podría navegar detrás de él. Vista final de una simulación en 3D de la estela detrás del haz de electrones (púrpura) y cómo un pulso de luz (franja azul y roja) podría navegar detrás de él. (Imagen: Ryan Sandberg, High Field Science Group) Este efecto fue predicho por primera vez en 1989 por investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles y el Laboratorio Nacional de Los Álamos, pero en ese momento, solo parecía factible un aumento del 10 % antes del pulso láser. se deslizó fuera de posición en la estela de plasma. Aún así, el equipo de California especuló que si fuera posible mantener la luz en ese límite entre los electrones y el área de ausencia de electrones, el pulso podría continuar ganando energía, incluso hasta diez veces más. Más de 30 años después, el equipo de Michigan encontró una nueva forma de lograrlo. El problema es que el haz de electrones, y por lo tanto la estela, no va a la misma velocidad que el pulso del láser: el plasma ralentiza ligeramente la luz a pesar de que está ganando energía. Para mantener el pulso láser en el lugar correcto, el límite también debe desplazarse hacia atrás en relación con el haz de electrones. Sandberg y Thomas proponen lograr esto variando la densidad del gas a través del cual viaja el haz de electrones. A medida que el gas se vuelve menos denso, la estela se extiende más atrás del haz de electrones. “Al hacer eso, Ryan logró aumentar la frecuencia cien veces más de lo que nadie había hecho antes”, dijo Thomas. Sandberg y Thomas creen que es posible lograr un aumento de diez veces la frecuencia usando este método en laboratorios como el Centro Acelerador Lineal de Stanford y, en el futuro, la instalación de láser ZEUS en la UM. Y, en principio, anticipan que mientras la luz permanezca en el límite, la longitud de onda de la luz seguirá acortándose, empujando a energías y frecuencias más altas.
Una simulación en 3D de la estela detrás del haz de electrones (púrpura) y cómo un pulso de luz (franja azul y roja) podría navegar detrás de él. La estela de plasma se muestra alternando amarillo para la ausencia de electrones y verde para los picos en la densidad de electrones. Cuando un pulso de luz se encuentra en ese límite, puede ganar energía continuamente; el truco es mantenerlo allí. (Imagen: Ryan Sandberg, High Field Science Group) Un aumento de diez veces en la frecuencia es suficiente para convertir la luz visible en radiación ultravioleta extrema, y el método también mantiene la alineación de las ondas en el pulso láser inicial, conocido como coherencia. Además, la energía del pulso aumenta con la frecuencia, lo que permite potencias máximas de hasta 100 billones de vatios. Esto es más que la producción de la capacidad de generación eléctrica del mundo, por una fugaz milmillonésima de segundo. Los investigadores anticipan que este fenómeno podría ahorrar una cantidad importante de energía en los laboratorios de fabricación de semiconductores y física láser, aunque prefieren no estimar cuánto hasta confirmar el hallazgo con experimentos. Así es como funciona: comienza con un pulso corto de electrones que viajan cerca de la velocidad de la luz. Cuando viajan a través de un gas, lo desgarran o lo ionizan, creando un estado de la materia llamado plasma en el que los electrones se desprenden de sus átomos. En lo que respecta al pulso de electrones, los iones pesados cargados positivamente están estacionarios, pero los electrones sueltos forman una estela detrás del pulso de electrones. "Es como una lancha motora que vuela por el agua, empujando el agua detrás de él", dijo el primer autor Ryan Sandberg, un Ph.D. de la UM. se graduó en matemáticas aplicadas e interdisciplinarias y computación científica y ahora es investigador en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. "El pulso de electrones se abre paso, y el pulso de láser es muy similar a alguien sentado detrás de la lancha a motor tratando de surfear esta estela". Ese pulso láser de wakesurf, que se encuentra justo delante de la primera ola de electrones sueltos que siguen al haz de electrones, recogerá la energía de la estela. Lo hace porque la densidad bastante alta de electrones sueltos, bordeados por un área de la que están ausentes en gran medida, crea un límite donde la luz del láser se mueve de manera diferente a cada lado. Cuando las ondas de luz salen de los electrones sueltos, los picos y valles se juntan, cambiando el pulso del láser a una frecuencia de luz más alta y más energética.
Vista lateral de una simulación en 3D de la estela detrás del haz de electrones (púrpura) y cómo un pulso de luz (franja azul y roja) podría navegar detrás de él. Vista final de una simulación en 3D de la estela detrás del haz de electrones (púrpura) y cómo un pulso de luz (franja azul y roja) podría navegar detrás de él. (Imagen: Ryan Sandberg, High Field Science Group) Este efecto fue predicho por primera vez en 1989 por investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles y el Laboratorio Nacional de Los Álamos, pero en ese momento, solo parecía factible un aumento del 10 % antes del pulso láser. se deslizó fuera de posición en la estela de plasma. Aún así, el equipo de California especuló que si fuera posible mantener la luz en ese límite entre los electrones y el área de ausencia de electrones, el pulso podría continuar ganando energía, incluso hasta diez veces más. Más de 30 años después, el equipo de Michigan encontró una nueva forma de lograrlo. El problema es que el haz de electrones, y por lo tanto la estela, no va a la misma velocidad que el pulso del láser: el plasma ralentiza ligeramente la luz a pesar de que está ganando energía. Para mantener el pulso láser en el lugar correcto, el límite también debe desplazarse hacia atrás en relación con el haz de electrones. Sandberg y Thomas proponen lograr esto variando la densidad del gas a través del cual viaja el haz de electrones. A medida que el gas se vuelve menos denso, la estela se extiende más atrás del haz de electrones. “Al hacer eso, Ryan logró aumentar la frecuencia cien veces más de lo que nadie había hecho antes”, dijo Thomas. Sandberg y Thomas creen que es posible lograr un aumento de diez veces la frecuencia usando este método en laboratorios como el Centro Acelerador Lineal de Stanford y, en el futuro, la instalación de láser ZEUS en la UM. Y, en principio, anticipan que mientras la luz permanezca en el límite, la longitud de onda de la luz seguirá acortándose, empujando a energías y frecuencias más altas.
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