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Los pulsos de láser que rompen récords permiten estudiar los fenómenos astrofísicos en el laboratorio

Concepto de artista.

Los investigadores demostraron una alta intensidad de pulso láser estándar de más de 1023 W / cm2 Utilizando láseres Betawatt en el Centro de Ciencia Relativa del Láser (CoReLS), Instituto de Ciencias Básicas de la República de Corea. Se necesitaron más de una década para alcanzar esta densidad de láser, diez veces más de lo que informó un equipo de la Universidad de Michigan en 2004. Estos pulsos de luz de alta intensidad permitirán explorar las complejas interacciones entre la luz y la materia de formas que no se habían hecho antes. posible antes.

El poderoso láser se puede utilizar para examinar los fenómenos que se cree que son responsables de los rayos cósmicos de alta energía, que tienen energías superiores a un cuatrillón (1015) electronvoltios (eV). Aunque los científicos saben que estos rayos se originan en algún lugar fuera de nuestro sistema solar, cómo están hechos y de qué están hechos sigue siendo un antiguo misterio.

“Este láser de alta intensidad nos permitirá examinar fenómenos astrofísicos como la dispersión de electrones, fotones y fotones en el laboratorio”, dijo Chang Hee Nam, director de CoReLS y profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju. “Podemos usarlo para probar y alcanzar experimentalmente ideas teóricas, algunas de las cuales se propusieron por primera vez hace casi un siglo”.

a VisualEs la Revista de la Asociación Óptica (OSA) para la investigación de alto impacto, los investigadores han presentado los resultados de años de trabajo para aumentar la intensidad de los pulsos láser de los láseres CoReLS. El estudio de las interacciones del material láser requiere un rayo láser altamente enfocado, y los investigadores pudieron enfocar pulsos de láser a un tamaño de punto de poco más de una micra, menos de cincuenta del diámetro de un cabello humano. La nueva intensidad del láser que batió récords se puede comparar con la concentración de toda la luz que llega a la Tierra desde el Sol hasta un punto de 10 micrones.

Láseres CoReLS

Los investigadores crearon pulsos de alta intensidad utilizando un láser de betavatios (en la imagen) en el Centro de Ciencia Relativa del Láser (CoReLS) en la República de Corea. Este láser de alta intensidad permitirá a los científicos examinar fenómenos astrofísicos como la dispersión de electrones, fotones y fotones en el laboratorio. Crédito: Chang Hee Nam, CoReLS

“Este láser de alta intensidad nos permitirá abordar ciencias nuevas y desafiantes, especialmente la electrodinámica de campo cuántico fuerte, que ha sido tratada principalmente por teóricos”, dijo Nam. “Además de ayudarnos a comprender mejor los fenómenos astrofísicos, también puede proporcionar la información necesaria para desarrollar nuevas fuentes para un tipo de radioterapia que utiliza protones de alta energía para tratar el cáncer”.

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Aumenta la densidad de las legumbres.

El nuevo avance se extiende a trabajos anteriores en los que los investigadores demostraron un sistema láser de femtosegundos, basado en Ti: Sapphire, que produce pulsos de 4 petavatios (PW) con períodos de menos de 20 femtosegundos con un enfoque en un punto de 1 μm. Este láser, reportado en 2017, produjo aproximadamente 1,000 veces más energía que toda la energía eléctrica en la Tierra en un pulso de láser que dura solo veinte partes por millonésima de segundo.

Para producir pulsos de láser de alta intensidad en un objetivo, los pulsos de luz generados deben enfocarse con mucha fuerza. En este nuevo trabajo, los investigadores aplicaron un sistema de óptica adaptativa para compensar con precisión las distorsiones ópticas. Este sistema incluye espejos deformables, que tienen una forma de superficie reflectante controlable, para corregir con precisión las distorsiones en el láser y generar un rayo con un frente de onda bien controlado. Luego usaron un gran espejo fuera del eje para lograr un enfoque muy ajustado. Este proceso requiere un manejo cuidadoso del sistema de enfoque óptico.

La cámara de interacción entre el láser y la sustancia.

La cámara de reacción del material láser de aceleración de protones, donde la densidad focal es superior a 1023 W / cm2 Lo demuestra el enfoque intenso de un rayo láser de varios bits con un espejo parabólico fuera del eje F / 1.1. Crédito: Zhang Hee Nam

“Nuestros años de experiencia adquiridos en el desarrollo de láseres de alta potencia nos han permitido realizar la tremenda tarea de enfocar un láser PW con un tamaño de haz de 28 cm en un punto micrométrico para lograr una densidad de láser superior a 1023 W / cm2El se quedó dormido.

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Estudiar procesos de alta energía

Los investigadores utilizan estos pulsos de alta intensidad para producir electrones con energía superior a 1 GeV (109 MeV) y para trabajar en un sistema no lineal en el que un electrón choca con varios cientos de fotones láser simultáneamente. Este proceso es un tipo de electrodinámica cuántica de campo fuerte llamado dispersión de Compton no lineal, que se cree que contribuye a la generación de rayos cósmicos altamente energéticos.

También utilizarán la presión de radiación del láser de alta intensidad para acelerar los protones. Comprender cómo ocurre este proceso podría ayudar al desarrollo de una nueva fuente de protones basada en láser para tratamientos contra el cáncer. Las fuentes que se utilizan hoy en día en la radioterapia se crean con un acelerador que requiere un escudo de radiación masivo. Se espera que la fuente de protones alimentada por láser reduzca el costo del sistema, haciendo que la máquina de terapia de tumores de protones sea menos costosa y, por lo tanto, ampliamente accesible para los pacientes.

Los investigadores continúan desarrollando nuevas ideas para mejorar aún más la densidad del láser sin aumentar significativamente el tamaño del sistema láser. Una forma de lograrlo es descubrir una nueva forma de reducir la duración del pulso láser. Con láseres con una potencia máxima que va de 1 a 10 PW ahora en funcionamiento y se planean instalaciones de hasta 100 PW, no hay duda de que la física de alta intensidad avanzará enormemente en el futuro cercano.

Referencia: “Lograr una intensidad láser superior a 1023 W / cm2Por JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee y CH Nam el 6 de mayo de 2021 Visual.
DOI: 10.1364 /óptica.420520

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