Alineando una secuencia de amplificadores y espejos con una precisión delgada sobre una mesa anclada a un bloque de acero en las profundidades subterráneas, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han producido un potente láser verde.El láser verde de mayor potencia promedio jamás generado por un solo láser basado en fibra será crucial para los experimentos de física nuclear en el Laboratorio Relativista de Iones Pesados RHIC.
"Cuando la luz verde incide en un objetivo a 27 metros corriente abajo de esta mesa, generará pulsos de electrones necesarios para enfriar los haces de iones en RHIC para mantenerlos colisionando", dijo el físico de Brookhaven Zhi Zhao, quien construyó el sistema láser y esautor principal en un artículo que describe sus atributos en Óptica Express , una revista de la Optical Society of America. Además de enfriar los haces de iones en RHIC, un láser verde de alta potencia también podría tener aplicaciones en el procesamiento de materiales, el mecanizado por láser y la generación de otros láseres.
Usando electrones para enfriar haces de iones
Las altas tasas de colisión en RHIC generan una gran cantidad de datos para los 1,000 físicos nucleares que acuden a este Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE para estudiar los intrincados detalles de los componentes básicos de la materia. Las colisiones reducen los componentes básicos a su forma más primitiva:- una sopa de partículas fundamentales que imita las condiciones del universo primitivo, pero a medida que los iones circulan a través de los túneles de circunferencia de 2.4 millas de RHIC, tienden a calentarse y separarse, disminuyendo las posibilidades de que ocurran colisiones.
"La dispersión intra-haz hace que los iones se extiendan y se pierdan, por lo que el haz no sobrevive", dijo el físico acelerador de RHIC Michiko Minty, coautor del artículo y líder del proyecto para desarrollar e integrar esteláser en operaciones de colisionador RHIC.
El calentamiento es un problema particular cuando los haces de iones circulan a energías relativamente bajas, en un rango que los científicos de RHIC están utilizando para estudiar aspectos interesantes de cómo la sopa primordial se transforma en protones y neutrones más familiares. Entonces, los físicos de RHIC han estado explorandoformas de inyectar periódicamente una corriente de electrones relativamente fríos para eliminar parte del calor de los iones.
"El objetivo del enfriamiento de electrones es detener la propagación de los grupos de iones para maximizar la tasa de colisión", dijo Minty.
El enfriamiento de electrones ha sido exitoso en otros aceleradores de partículas. Pero en RHIC los físicos están explorando nuevas estrategias para generar haces de electrones a energías de electrones muy altas miles de millones de voltios de electrones, lo que requiere el uso de aceleración lineal por radiofrecuencia de grupos energéticos.
"Tenemos que hacer grupos de electrones que se superponen con los grupos de iones, y los grupos de iones se repiten. Por lo tanto, queremos generar un conjunto de trenes de pulsos de electrones que se propaguen conjuntamente con los iones para que la energía de los iones pueda obtenertransferido a los electrones, haciendo que el haz de iones se contraiga ", dijo Minty.
La idea es utilizar pulsos de un láser para golpear un material fotoemisor, un material que emite electrones cuando se golpea con la longitud de onda o color de luz adecuados, dentro de una pistola de electrones de fotocátodo. En el caso deEl fotocátodo instalado en la pistola de electrones en RHIC, el color mágico es el verde.
Infra luz roja, luz verde, 1, 2, 3!
Para hacer la luz verde, el equipo de Brookhaven comenzó con algo invisible, un láser de "semilla" infrarrojo IR a una potencia relativamente baja. Envían pulsos modulados de esa luz IR invisible a través de una serie de fibras ópticas para amplificar la potencia.
Cuando la luz de un láser de "bomba" IR adicional ingresa a la fibra, excita los electrones en el material que recubre la fibra. Cuando estos electrones se relajan de nuevo a su "estado fundamental", emiten fotones de luz en la longitud de onda IR, perfectamenteen sincronía con las ondas IR de semillas, aumentando gradualmente la intensidad de la señal en múltiples etapas del amplificador de fibra.
Una vez que se alcanza la potencia deseada, el láser infrarrojo golpea un cristal de "duplicación de frecuencia".
"Cuando dos fotones de luz infrarroja golpean el cristal, emite un fotón de una longitud de onda más corta", explicó Zhao. "La duplicación de frecuencia esencialmente corta la longitud de onda a la mitad, cambiando la entrada IR a luz verde visible".
La luz láser verde zigzaguea a lo largo de caminos guiados por espejos en la mesa a través de varios componentes ópticos para optimizar la salida láser neta. Estos incluyen múltiples cristales utilizados para convertir pulsos láser cortos en un tren de pulsos múltiples conformación temporal, una variedadde lentes para producir el perfil transversal deseado de los pulsos de láser conformación espacial, y las llamadas placas de media onda utilizadas para pasar o rechazar el paso del rayo láser para controlar la intensidad general del láser.
Después de esto, la luz láser es guiada a una serie de moduladores ópticos eléctricos - "dispositivos que cortan secciones de la luz láser para producir la secuencia deseada de pulsos láser - una secuencia que coincide con la estructura de los haces de iones paraenfriarse ", explicó Minty.
El objetivo es cronometrar los pulsos para que coincidan con la frecuencia del cañón de electrones para que los electrones resultantes puedan acelerarse para que coincidan perfectamente con los iones acelerados que circulan en RHIC.
"Al final, es la velocidad del haz de iones que 'decide' lo que necesitamos, y todo tiene que coincidir con eso. Obtenemos una señal de las cavidades de aceleración de iones que se utiliza para generar las señales de sincronización para los componentesgenerando la estructura del pulso láser ", dijo Minty.
Anclaje y prueba de la luz
Los láseres de fibra son especialmente adecuados para generar racimos de electrones de alto brillo en inyectores de electrones de fotocatodos. La alta relación superficie-volumen de la fibra es compatible con la generación y entrega de pulsos láser a alta velocidad de repetición y alta potencia láser promedio. También, la dinámica de la luz láser que se propaga a través de la fibra conduce a excelentes perfiles láser, bajas variaciones en la posición del láser y un funcionamiento sin mantenimiento. En conjunto, estas propiedades dan como resultado el funcionamiento a largo plazo de un láser altamente estable, que es esencial paralos programas de física de RHIC.
Dos factores clave que los científicos deben controlar son la relación de extinción del láser, la diferencia entre el encendido y apagado del láser, y su estabilidad.
"Si tienes luz presente cuando se supone que no debe estar allí, obtendrás electrones residuales, que pueden producir efectos no deseados", dijo Minty. "Estamos apuntando a un factor de 10 -6 lo que significa que cuando decimos que está apagado, está apagado, y solo uno de un millón de electrones pasará "
Para la estabilidad, los científicos deben asegurarse de que el camino de la luz no se desvíe más de 10 micras desde su punto de partida hacia la pistola de fotocátodo en el túnel RHIC, incluso con todos los pasos de amplificación y vías en zigzag en la mesa.
"En general, el camino es de unos 30 metros - 3 metros en la mesa con 40 espejos creando el camino en zigzag y 27 metros en la línea de transferencia", dijo Zhao, de pie dentro del remolque móvil que aloja el láser fuera del anillo RHIC.
"Estabilizamos la mesa cavando un gran agujero y enterrando un bloque de acero de 50 toneladas al nivel de la capa freática de Long Island, y perforamos agujeros en el remolque para asegurar la mesa láser a ese bloque", dijo Minty ".Puedes saltar arriba y abajo en el piso aquí y la mesa no se moverá ", agregó, señalando postes súper estables que sostienen espejos y otros componentes clave en la mesa aislada por movimiento.
Además, las largas tuberías evacuadas a través de las cuales viaja el láser se desacoplan de múltiples mesas ópticas más pequeñas entre el remolque y la pistola de electrones ubicada dentro del gabinete RHIC. Estas tablas albergan ópticas y espejos con soportes diseñados también para la estabilidad térmica y vibratoria.
El equipo, que también incluía a Brian Sheehy recientemente retirado y una nueva incorporación, Patrick Inacker, ya ha logrado dos hitos importantes para el Experimento de enfriamiento de electrones de baja energía. El 9 de marzo de 2017, transportaron con éxito una alineaciónláser a través de todo el sistema de transporte láser, seguido el 5 de abril por el primer transporte exitoso utilizando la luz láser verde. Se anticipa que las primeras pruebas de enfriamiento de electrones comenzarán durante las operaciones de RHIC a fines de 2018 y principios de 2019.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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