05/10/22

Pesquisadores projetaram um laser de vários petawatts de potência usando plasma para superar as limitações das lentes e espelhos convencionais de estado sólido.

O projeto permite a construção de um laser ultrarrápido entre 100 e 1.000 vezes mais potente do que os lasers existentes do mesmo tamanho, dependendo do projeto.

Lasers da classe petawatt (quadrilhões de watts) usam grades de difração para executar uma técnica chamada CPA (chirped-pulse amplification - amplificação de pulso com chilreio ou trinado), que organiza as cores da luz no tempo. Essa técnica, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2018, estica, amplifica e depois comprime um pulso de laser de alta energia, evitando danos aos componentes ópticos.

Esse risco de danos às lentes e espelhos pode, ao menos teoricamente, ser largamente suprimido - por várias ordens de magnitude - usando um plasma em lugar das grades sólidas de difração.

"A óptica de foco de vidro para lasers de alta potência precisa ser grande para evitar danos," explica Matthew Edwards, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, nos EUA. "A energia do laser é espalhada para manter a intensidade local baixa. Como o plasma resiste a danos ópticos melhor do que um pedaço de vidro, por exemplo, podemos imaginar construir um laser que produza centenas ou milhares de vezes mais energia do que um sistema atual, sem tornar esse sistema maior."

Mas havia um problema: Embora a óptica de plasma já tenha sido usada com sucesso em espelhos, seu uso para compressão de pulsos de alta potência vinha tropeçando na dificuldade de criar um plasma grande suficientemente uniforme, e pela complexidade da dinâmica de ondas do plasma não-linear.

Esquema do laser de plasma idealizado pela equipe - a óptica de vidro é substituída pela grade de plasma (D), formada por dois lasers de bombeamento. [Imagem: LLNL]

Laser multipetawatt

Edwards e seus colegas acabam de idealizar um novo projeto que pode superar as dificuldades de falta de homogeneidade e variações de temperatura e densidade dos plasmas aplicados à óptica.

A grade de plasma é criada por dois lasers auxiliares de baixa potência, que disparam pulsos sobre o plasma para induzir uma pequena modulação periódica em seu índice de refração. Os cálculos indicam que essa grade de plasma teria um limite de dano mais de 10.000 vezes maior do que uma grade convencional sólida.

"A arquitetura de dupla compressão compensa a baixa dispersão angular das grades de plasma. Nós exploramos as restrições de projeto definidas pelos parâmetros de plasma disponíveis e usamos simulações de partículas-na-célula para examinar o desempenho em alta intensidade de luz. Essas simulações sugerem que a grade final, em escala de metros para um laser de 10 PW [petawatts], pode ser substituída por uma grade de plasma de 1,5 milímetro de diâmetro, permitindo uma compressão para, por exemplo, 22 femtossegundos com 90% de eficiência, e fornecendo um caminho para sistemas laser compactos multipetawatt," descreveu a equipe.

Em 2017, a equipe construiu um laser que produz 30 joules de energia em pulsos de 30 femtossegundos - o que é igual a um petawatt - e emite esses pulsos a uma taxa de 10 Hertz (10 pulsos por segundo) - esse laser gigantesco, chamado L3 HAPLS, tornou-se o núcleo de um grande laboratório na República Tcheca.

Com o novo projeto, a equipe acredita ser possível fazer um sistema semelhante, só que com uma potência 100 vezes maior.

"Ao usar parâmetros de plasma alcançáveis e evitando plasma de densidade sólida e óptica de estado sólido, essa abordagem oferece um caminho viável para a próxima geração de lasers de alta potência," concluiu Edwards.

Bibliografia:

Artigo: Plasma Transmission Gratings for Compression of High-Intensity Laser Pulses

Autores: Matthew R. Edwards, Pierre Michel

Revista: Physical Review Applied

Vol.: 18, 024026

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.024026

Fonte: Inovação Tecnológica

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