A primeira demonstração do laser em 1960 foi rapidamente seguida pelo nascimento de um novo campo de pesquisa: a óptica não linear. As propriedades de coerência únicas da emissão estimulada, o processo físico fundamental da radiação laser, permitiram intensidades que excedem as de fontes incoerentes em muitas ordens de magnitude. As altas intensidades conduzem os elétrons tão fortemente que eles oscilam com frequências diferentes daquelas do campo da luz motriz. A emissão dipolar subsequente pode ser extremamente colorida. Fibras ópticas ou filamentos de laser têm sido usados como guias de onda por décadas para maximizar esse efeito e gerar pulsos de luz extremamente banda larga.
No entanto, se os pulsos de laser transportarem muita energia, a fibra sofre danos e os filamentos de luz se rompem, de modo que as propriedades espaciais únicas da radiação do laser são perdidas. Pesquisadores do alemão Electron-Synchrotron DESY em Hamburgo, Alemanha, e do Helmholtz-Institute Jena, Alemanha, agora relataram um novo método para guiar a luz de maneira escalável em energia. A orientação é realizada pelo uso de dois espelhos de refocalização e o cuidadoso espaçamento de finas janelas de vidro não lineares.
Os cientistas relataram em uma publicação recente na Ultrafast Science que os pulsos de luz ganham mais de 30 vezes sua largura de banda inicial em tal configuração e podem ser consequentemente comprimidos pelo mesmo fator. Isso reduz sua duração e aumenta consideravelmente sua potência de pico. Notavelmente, esses experimentos foram realizados com pulsos de laser que excedem o limite de potência de pico em fibras de vidro por um fator de 40. No entanto, apesar da propagação por cerca de 40 cm de vidro no total, a qualidade do feixe e a energia do pulso permaneceram altas. “Combinamos elegantemente duas abordagens recentes para estender a largura de banda de pulsos ultracurtos. No entanto, a configuração óptica é realmente simples. Todas as ópticas que usamos em nosso esquema de ampliação espectral eram itens de estoque. Isso e as excelentes propriedades de ruído tornam nossa abordagem amplamente aplicável, ” diz o Dr. Marcus Seidel, principal autor da publicação.
Dr. Christoph Heyl, líder do grupo júnior do DESY e do Instituto Helmholtz Jena, acrescenta que “há uma tendência clara na tecnologia de laser ultrarrápido para fontes de energia média alta que muitas vezes só podem fornecer pulsos com durações de nível de picossegundos. Nosso método apresenta uma energia -, abordagem econômica e de tamanho para transformar esses lasers em fontes pulsadas com apenas dezenas de femtosegundos de duração com gigawatts de potência de pico.”
O regime de femtossegundos é a escala de tempo do movimento molecular que pode ser rastreado e manipulado com pulsos ultracurtos. Além disso, os pulsos de femtossegundos são muito rápidos para permitir a geração de calor após a ionização. Isso é amplamente explorado no processamento de materiais a laser. A abordagem de compressão de pulso tem sido usada na instalação de laser de elétrons livre da DESY, FLASH, há vários meses. Isso permitiu que os cientistas tirassem instantâneos precisos da dinâmica molecular em novos materiais quânticos.
“Os usuários de nossas instalações ficaram muito felizes com isso”, diz o Dr. Seidel e olha para o futuro: “Ficaríamos muito satisfeitos, é claro, se essa tecnologia permitir experimentos científicos de ponta no DESY e em muitos outros institutos ao redor do mundo”.
A equipe do Dr. Heyl publicou recentemente simulações que mostram a extensão da abordagem demonstrada para potências de pico de terawatt e energias de pulso em nível de joule. A implementação desse experimento de aumento de energia abrirá as portas para aplicações totalmente novas.
“O alargamento espectral e a compressão de pulso foram identificados como os principais métodos para o avanço da física de campo forte pelo Prêmio Nobel de 2018 Gérard Mourou”, diz o Dr. Heyl. “Com a nova tecnologia, sua previsão pode tomar forma. Já estamos montando um primeiro acelerador de partículas compacto baseado em células multi-pass em nossos laboratórios. Esperamos que o conceito também tenha impacto em futuras terapias de radiação e possivelmente até laser- fusão baseada.”
Publicado em 01/05/2022 11h15
Artigo original:
Estudo original: