Los aceleradores de partículas convencionales pueden variar desde dispositivos grandes del tamaño de una habitación hasta instalaciones de varios kilómetros de diámetro. Una de las formas en que los científicos han tratado de reducir el tamaño y el gasto de los futuros aceleradores es mediante el desarrollo de la aceleración de plasma impulsada por láser.están creciendo en tamaño y complejidad para mantener la relevancia para una de sus aplicaciones: física de alta energía. Sin embargo, hay muchas aplicaciones que pueden usar un rayo acelerado de menor energía y mayor tasa de repetición. Por primera vez, los científicos han observadoproducción de electrones relativistas impulsados por pulsos de láser de infrarrojo medio ultracortos de baja energía. Un equipo de investigación de la Universidad de Maryland, EE. UU., con el apoyo de la Universidad Técnica de Viena, Austria, presentará los hallazgos de su grupo en Fronteras en óptica + Laser Science APS / DLS FIO + LS, celebrada del 17 al 21 de septiembre de 2017 en Washington, DC.
"Estamos tratando de desarrollar aceleradores accionados por láser que sean extremadamente compactos y tengan una alta tasa de repetición", dijo Howard Milchberg, miembro de la American Physical Society APS y The Optical Society OSA, y profesor de físicae Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Maryland. "Eso significa utilizar la energía de pulso láser más baja posible para generar electrones relativistas. Dichas fuentes podrían haber sido utilizadas en imágenes de exploración rápida para aplicaciones médicas, científicas y de seguridad".
Recientemente, el desarrollo de sistemas de amplificación óptica de pulso de chirp paramétrico OPCPA en el infrarrojo medio ha permitido el uso de pulsos de longitud de onda larga en la escala de femtosegundos. Hasta este desarrollo, los pulsos láser de longitud de onda larga habían estado disponibles principalmente de CO 2 láser, pero tienen una estructura de múltiples pulsos complicada con duraciones de pulso que se extienden, en las duraciones más cortas, más allá de varios picosegundos, cientos de veces más.
Los experimentos comunes de aceleración impulsados por láser dependen de la interacción corta del pulso láser con un objetivo de gas. En comparación con los experimentos anteriores, la longitud de onda larga del conductor utilizada en este proyecto resultó en un fácil acceso a lo que se llama el régimen de "densidad crítica".la densidad varía inversamente a medida que el cuadrado de la longitud de onda del láser, los objetivos de gas utilizados para pulsos de láser de IR medio pueden ser hasta 100 veces menos densos que los utilizados en el IR visible y cercano, lo que los hace mucho menos difíciles de diseñar.
"Cuando un pulso láser de infrarrojo medio de pocos milijulios femtosegundos es enfocado por un espejo curvado en un chorro de gas de hidrógeno - una corriente de hidrógeno que sale de una boquilla - un pulso colimado de electrones relativistas sale del otro lado deel chorro ", dijo Milchberg, describiendo el experimento." Sin embargo, esto no puede suceder a menos que el láser alcance una intensidad extremadamente alta, mucho más alta de lo que se puede lograr al enfocar solo con el espejo curvo. Lo hace mediante el autoenfoque relativista enel gas de hidrógeno ionizado para que se colapse a un tamaño mucho más pequeño que su punto focal "
La importancia de estar en el régimen de densidad crítica, según Milchberg, es que promueve el autoenfoque relativista incluso para pulsos láser de baja energía. Esta interacción de alta intensidad aumentada genera ondas de plasma que aceleran algunos de los electrones del hidrógeno ionizadoen un haz relativista dirigido hacia adelante.
El equipo descubrió que los haces de electrones estaban presentes para potencias tales que la longitud característica de autoenfoque en plasma era más corta que el ancho del chorro de gas, lo que demuestra que la aceleración de electrones no puede ocurrir sin un autoenfoque relativista.
El autoenfoque relativista es un ejemplo extremo del conocido proceso de autoenfoque en óptica no lineal, pero ahora con la ventaja de las partículas relativistas aceleradas generadas a partir del medio no lineal.
Incluso con solo 20 milijulios de energía láser de IR medio, el láser en estos experimentos puede exceder significativamente el umbral para el autoenfoque relativista, dando lugar a múltiples filamentos relativistas. El equipo observó múltiples haces de electrones relativistas asociados con estos filamentos.
Estas innovaciones se encuentran entre los pasos iniciales para el desarrollo y las aplicaciones de aceleradores impulsados por láser de alta tasa de repetición ". En particular", dijo Milchberg, "los láseres de femtosegundo de longitud de onda larga son especialmente prometedores, ya que pueden acceder al régimen relativista no lineal de electrones libressorprendentemente fácil "
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Materiales proporcionados por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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