Plasma caliente para la obtención de láseres de gran potencia

Un equipo internacional de científicos, con participación de algunos de la Universidad Politécnica de Madrid, proponen crear láseres de rayos X con las propiedades de los superpotentes XFEL. La idea, cuyos detalles se publicaron en la revista Nature Photonics, es usar plasma caliente, lo que permitirá abaratar los costes de este tipo de dispositivos.

Conseguir láseres de rayos X con las mismas propiedades que los que existen en las instalaciones  x-ray free electron laser (XFEL) mediante el uso de un amplificador de plasma caliente, mucho menos costosos, es posible. Así lo confirma un estudio llevado a cabo por un equipo internacional de investigadores, en el que han participado expertos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

El hallazgo de este equipo de científicos de Francia (LOA, París), Portugal (GoLP, Lisboa) y España (Instituto de Fusión Nuclear de la UPM, Madrid) es especialmente significativo ya que reduciría mucho los costes de este tipo de láseres y marcaría un antes y un después en los procesos de funcionamiento de los mismos.

Aunque el hecho de que los láseres de rayos X basados en FEL proporcionan niveles de energía muy elevados y se pueden utilizar para múltiples aplicaciones distintas es algo bien establecido en la comunidad científica, los enormes costes de las instalaciones que requieren para funcionar los convierten en minoritarios. De hecho, en todo el mundo solo existen 4 lugares en los que se trabaje con este tipo de láseres ya que su precio oscila entre los 100 y los 1000 millones de euros.

El uso de un plasma caliente, generado a su vez por un láser de luz infrarroja, para obtener rayos X, es mucho menos costoso y es una técnica que ya se está empleando desde hace decenios, aunque hasta el momento el nivel de energía que producía era menor. Los investigadores de la UPM, entre los que se encuentran Eduardo Oliva –ahora en el LOA y autor principal– y Pedro Velarde, proponen adaptar la técnica denominada Chirped Pulse Amplification (CPA), para aprovechar la dinámica de bombeo de los láseres basados en plasmas.

“La idea que proponemos es alargar el pulso inicial de la luz para que se pueda aprovechar mejor la capacidad de amplificación de energía del plasma. A la salida del amplificador el tiempo de pulso se acorta de nuevo al original aumentando a su vez la intensidad”, explica Velarde.

El alargamiento y contracción del pulso de luz (la fuente de energía) se realiza con redes de difracción especiales y es lo que permite obtener la mayor energía. Esta técnica es habitual en las instalaciones de láseres de PW (por ejemplo en el CLPU, Salamanca) aunque con propósito diferente.

Múltiples aplicaciones

Los láseres de rayos X blandos se aplican al estudio de la materia, y más en concreto, a la diagnosis de materiales sometidos a altos flujos de radiación,  la modificación de materiales a escala nanométrica y a estudios que permiten predecir cómo se comportan los nanomateriales cuando están sometidos a estrés.

Además, con potencias de decenas de GW se pueden generar plasmas ultradensos y estudiar su comportamiento. Las excepcionales propiedades de coherencia del haz de luz de este tipo de láseres y su corta longitud de onda, pueden utilizarse para diagnosis de plasmas densos típicos de instalaciones de fusión o, en el ámbito médico, para generar holografías de proteínas. Recientemente se está considerando también la aplicación de estos láseres para la destrucción selectiva de células tumorales. 

Este estudio se publicó en el número de octubre de la revista Nature Photonics.

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