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LA CIENCIA HOY

Espejos transitorios de plasma para láseres de alta potencia

Técnicamente se dice que la densidad de radiación láser queda debajo del umbral de daño del espejo. 

Escrito en Opinión el
Espejos transitorios de plasma para láseres de alta potencia

Los espejos son elementos esenciales de casi todo instrumento científico, en particular de los instrumentos ópticos, pero no exclusivamente. Son responsables de reflejar la luz incidente y reenviarla a donde sea requerida, además de un espejo de alta calidad, se espera que no deforme los haces incidentes, sino que los refleje con toda fidelidad.  El desarrollo de láseres de muy alta potencia ha enfrentado un problema muy serio con los espejos que se utilizan en estos instrumentos debido a que la alta potencia de los haces láser generados destruye a los espejos.  Una solución para evitar el daño y destrucción de los espejos consiste en incrementar su tamaño haciéndolos más grandes en su diámetro pues de este modo la alta potencia del haz se distribuye en una mayor área evitando su destrucción. Técnicamente se dice que la densidad de radiación láser queda debajo del umbral de daño del espejo.  El problema de esta solución es que las intensidades de los láseres modernos son tan altas que los espejos que ahora se requieren son enormes y por consecuencia son muy costosos.  Es decir: Utilizar espejos de alta planicidad de uno o dos centímetros de diámetro es normal en cualquier laboratorio científico y éstos se pueden encontrar en muchos catálogos comerciales de elementos ópticos.  Sin embargo, un espejo de alta planicidad de medio metro (0.5m), o de metro y medio (1.5m), puede ser extremadamente costoso (dependiendo de la longitud de onda de uso, puede llegar a costar cien mil o doscientos mil dólares cada espejo). 

 

Un equipo internacional de investigación trabajando en el Laboratorio Rutherford en Inglaterra, acaba de publicar un artículo en donde se presenta una ingeniosa solución a este problema (ver: G. Vieux et al., “The role of transient plasma photonic structures in plasma-based amplifiers”, Communications Physics, 2023; 6 (1)), la propuesta de estos investigadores consiste en utilizar el plasma producido por un láser al ser enfocado en una superficie, como espejo de reflexión. Es decir, al enfocar un haz laser pulsado de alta intensidad en una superficie éste producirá que el material de la superficie se volatilice e instantáneamente se ionice, de este modo se forma un gas formado por iones y electrones libres llamado plasma. La densidad del plasma será mayor cerca de la superficie del material y cada vez menor al alejarse de la superficie. En todo plasma, dependiendo de su densidad, habrá una “región crítica” así llamada porque ciertas longitudes de onda serán perfectamente reflejadas al incidir en esa zona de plasma con densidad crítica.   Por tanto, el plasma en expansión producido se comportará como un espejo perfecto para ciertas longitudes de onda, desde luego este “espejo” existe solo instantáneamente mientras dura el plasma.  Debido a esta característica, a estos espejos transitorios de plasma también se les conoce como “espejos fantasmas”, pues existen solamente durante unos pocos nanosegundos.

La parte más interesante de este trabajo es lograr que los espejos transitorios de plasma reflejen con la mayor fidelidad posible los haces incidentes.  Es decir, un pulso laser breve e intenso genera el espejo transitorio, e inmediatamente incide en él el haz que se desea reflejar. Lograr esta sincronización y alta fidelidad óptica es un reto científico-tecnológico de primera magnitud.


 

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