Resumen:
Los equipos de investigación del Helmholtz Zentrum Rosendorf (HZDR) en Dresde, Alemania, y del Centro de Radiación Sincrotrón SOLEIL cerca de París, Francia, anunciaron recientemente que han logrado un avance importante en el desarrollo de una nueva generación de láseres compactos de electrones libres. Por primera vez, los investigadores han logrado el funcionamiento estable y reproducible de un láser de electrones libres de plasma en un estado operativo de alta ganancia, allanando el camino para la construcción de dispositivos láser de electrones libres más pequeños y de menor costo en el futuro.
Los láseres de electrones libres son una herramienta importante para la investigación científica moderna. Pueden producir pulsos de luz extremadamente cortos y de alta intensidad y se utilizan ampliamente para estudiar átomos, moléculas y nuevos materiales. Sin embargo, la mayoría de las instalaciones actuales de láseres de electrones libres en todo el mundo son grandes y costosas, lo que deja a los investigadores con un tiempo experimental muy limitado, por lo que los investigadores han esperado durante mucho tiempo desarrollar alternativas más compactas y económicas.
Los láseres de electrones libres tradicionales requieren el uso de grandes aceleradores con una longitud de hasta dos kilómetros para acelerar los electrones a una velocidad cercana a la de la luz. Luego, el haz de electrones ingresa a un ondulador compuesto de imanes, que libera pulsos de luz intensa altamente coherentes mientras oscila continuamente.
Los nuevos láseres de electrones libres de plasma adoptan un enfoque completamente diferente. Los investigadores utilizan láseres para generar ondas especiales en el plasma, lo que permite que los electrones "monten" sobre las ondas del plasma rápidamente como si estuvieran surfeando. Con este mecanismo, el nivel de energía que originalmente requería cientos de metros o incluso miles de metros de distancia de aceleración ahora se puede alcanzar en solo unos pocos milímetros, y la distancia de aceleración total se acorta aproximadamente mil veces.
A pesar de sus importantes ventajas, esta tecnología lleva mucho tiempo adoleciendo de una estabilidad insuficiente. Para experimentos científicos, la salida del láser debe tener una calidad constante durante horas o incluso días, un estándar que los láseres de electrones libres de plasma han tenido dificultades para cumplir en el pasado.
La clave de este avance es que el equipo de investigación logró con éxito un control preciso del proceso de interacción entre el láser y el plasma. Los científicos utilizan el sistema láser DRACO de alto rendimiento de HZDR para emitir pulsos de láser infrarrojo en un flujo de gas de solo unos pocos milímetros de espesor, generar un entorno de plasma estable y ajustar con precisión los parámetros del láser para que coincidan de manera óptima con las condiciones del plasma.
Después de completar la aceleración, el haz de electrones se envía al sistema ondulador. Los investigadores introdujeron además el mecanismo de interacción entre los pulsos láser y los haces de electrones para mejorar la intensidad de la radiación láser de electrones libres y obtener una mayor producción de energía.
Los resultados experimentales mostraron que el equipo generó con éxito pulsos de luz ultravioleta de alta energía con una longitud de onda de 272 nanómetros. Más importante aún, la potencia del láser mostró por primera vez las características únicas de crecimiento exponencial del estado de alta ganancia, lo que demuestra que el sistema ha entrado en un modo de operación de amplificación fuerte. Este estado se considera un signo importante del funcionamiento eficaz de los láseres de electrones libres.
Los investigadores dijeron que, en comparación con los resultados publicados por el equipo en 2023, este experimento logró mejoras significativas. Los láseres de electrones libres de plasma láser, que en el pasado eran difíciles de garantizar un funcionamiento estable y repetido, ahora pueden producir de forma continua y estable radiación de alta calidad, creando posibilidades para aplicaciones prácticas de investigación científica.
La comunidad científica en general cree que se espera que este logro promueva la miniaturización y popularización de la tecnología láser de electrones libres. En el futuro, ya no será necesario construir equipos relevantes en grandes laboratorios nacionales, sino que tendrán la oportunidad de reducirse a un alcance que las universidades o instituciones de investigación de tamaño mediano puedan permitirse, proporcionando así fuentes de luz avanzadas a más equipos de investigación científica.
Los investigadores señalaron que el sistema actual todavía produce fuentes de luz de banda ultravioleta, pero a través de nuevas actualizaciones y optimización en el futuro, se espera que acorte la longitud de onda a menos de 100 nanómetros. Para entonces, este tipo de láser compacto de electrones libres mostrará un mayor valor de aplicación en campos como la ciencia de materiales, la observación de reacciones químicas, la investigación biomédica y la nanotecnología.
Este resultado ha sido publicado en la revista "Physical Review Letters" y se considera un hito importante en el desarrollo de la miniaturización de láseres de electrones libres. También proporciona una base realista para la futura construcción de instalaciones de fuentes de luz avanzadas más económicas y fáciles de implementar.
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