Η νέα έρευνα
Σε νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics, επιστήμονες από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, επέδειξαν το πρώτο λέιζερ υψηλής έντασης "ελατηρίου φωτός".
Σε αντίθεση με τις συμβατικές δέσμες λέιζερ, ένα ελατήριο φωτός περιστρέφεται γύρω από τον κεντρικό του άξονα με ελεγχόμενο ρυθμό. Εάν εστιαστεί σε έναν τοίχο, το μοτίβο της δέσμης θα διαγράφει κύκλους με την πάροδο του χρόνου.
"Για πολύ καιρό, οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν παλμούς λέιζερ υψηλής ισχύος και υψηλής έντασης για να οδηγήσουν πλάσματα", δήλωσε ο επιστήμονας και επικεφαλής συγγραφέας του LLNL, Andrew Longman. «Αλλά αυτά τα λέιζερ είναι σχεδόν πάντα στην απλούστερη διαμόρφωσή τους. Είναι βασικά μια στρογγυλή κηλίδα - τίποτα ιδιαίτερα ενδιαφέρον. Είναι σαν να χτυπάς το πλάσμα με ένα σφυρί. Ενδιαφερόμαστε για παλμούς λέιζερ που είναι δομημένοι τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο, επειδή μας επιτρέπουν να κάνουμε ασυνήθιστα πράγματα, όπως να ανακατεύουμε το πλάσμα».
Η περιστροφή της δέσμης μπορεί να ρυθμιστεί σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων, συμπεριλαμβανομένων των φαινομενικών ταχυτήτων που υπερβαίνουν την ταχύτητα του φωτός χωρίς να παραβιάζουν τη σχετικότητα. Αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να οδηγήσουν νέους τύπους κυμάτων πλάσματος που δεν έχουν εξερευνηθεί ποτέ πειραματικά.
Ακρίβεια ατομικής κλίμακας στους καθρέφτες
Η ανακάλυψη βασίστηκε σε μερικά από τα πιο ακριβή οπτικά ελεύθερης μορφής που έχουν παραχθεί ποτέ από την Εθνική Μονάδα Ανάφλεξης και τη Διεύθυνση Επιστήμης Φωτονίων του LLNL. Οι ερευνητές αρχικά χώρισαν ένα ευρυζωνικό λέιζερ σε δύο δέσμες χρησιμοποιώντας εξειδικευμένους διαχωριστές δέσμης: η μία που περιέχει μικρότερα ("μπλε") μήκη κύματος και η άλλη μεγαλύτερα ("κόκκινα") μήκη κύματος. Κάθε δέσμη στη συνέχεια ανακλάται από έναν προσαρμοσμένο, νανοδομημένο καθρέφτη.
Με γυμνό μάτι, αυτοί οι καθρέφτες φαίνονται τέλεια επίπεδοι. Στην πραγματικότητα, ο καθένας περιέχει ένα εξαιρετικά λεπτό σπειροειδές μοτίβο χαραγμένο στην επιφάνειά του. Αν τα κάτοπτρα των 15 εκατοστών κλιμακώνονταν σε διάμετρο ενός μιλίου, το σπειροειδές βήμα θα είχε ύψος μόνο περίπου μισή ίντσα.
«Για ορισμένα από αυτά τα οπτικά ελεύθερης μορφής, σε ολόκληρο το οπτικό, η διαφορά μεταξύ του σχεδιασμού και του τελικού μέρους ήταν μόνο περίπου πέντε νανόμετρα», δήλωσε ο συγγραφέας Tayyab Suratwala, διευθυντής προγράμματος Οπτικής και Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών στο LLNL. «Μιλάμε σχεδόν για ατομική κλίμακα».
Αυτό το αποτέλεσμα απαιτούσε κρίσιμη εμπειρογνωμοσύνη στην λείανση και στίλβωση μεγάλων οπτικών με πρωτοφανή ακρίβεια.
Από διαιρεμένες δέσμες σε ένα φωτεινό ελατήριο
Αφού ανακλαστεί από αυτά τα κάτοπτρα, ένας δεύτερος διαχωριστής δέσμης ανασυνδυάζει τις δύο δέσμες, ευθυγραμμίζοντάς τες με ακρίβεια στον χώρο και τον χρόνο. Το αποτέλεσμα είναι ένας νέος τύπος παλμού λέιζερ που μοιάζει με μια στριφογυριστή αλυσίδα DNA.
Το λέιζερ συναρμολογήθηκε και δοκιμάστηκε στο UC Irvine από μια ομάδα που περιλάμβανε τον πρώην ασκούμενο του LLNL Danny Attiyah και τον καθηγητή Franklin Dollar.
«Στους Ghostbusters, έχουν τα πακέτα πρωτονίων που εκπέμπουν μια δέσμη στη μέση και μια άλλη που περιστρέφεται σπειροειδώς γύρω της», είπε ο Dollar. «Σε υψηλές εντάσεις, ξέραμε μόνο πώς να φτιάξουμε τη μεσαία δέσμη. Τώρα μπορούμε να φτιάξουμε και τη σπειροειδή δέσμη».
Ελικοειδή κύματα με πρακτική εμβέλεια
Οι προσομοιώσεις υποδηλώνουν ότι τα φωτεινά ελατήρια μπορούν να οδηγήσουν αποτελεσματικά ελικοειδή κύματα πλάσματος που συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικά ηλεκτρομαγνητικά πηνία. Χρησιμοποιώντας αυτά τα οπτικά υψηλής ακρίβειας, ένα σύστημα λέιζερ σε κλίμακα επιτραπέζιας θα μπορούσε ενδεχομένως να δημιουργήσει μαγνητικά πεδία που ξεπερνούν τα 100 tesla - συγκρίσιμα με μερικά από τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία που έχουν παραχθεί ποτέ σε εργαστήριο.
«Το ωραίο ήταν ότι όλα έγιναν σε ένα λέιζερ που μπορεί κυριολεκτικά να χωρέσει στην επιφάνεια του τραπεζιού σας», είπε ο Longman. «Δεν χρειάζεται να έχετε αυτά τα μεγάλης κλίμακας λέιζερ πολλών εκατομμυρίων δολαρίων για να κάνετε πρωτότυπη εργασία».
Τόσο ισχυρά μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να παρέχουν μια νέα πλατφόρμα για τη μελέτη του τρόπου συμπεριφοράς της ύλης υπό ακραίες συνθήκες. Οι ερευνητές θα μπορούσαν να τα χρησιμοποιήσουν για να διερευνήσουν τις διεργασίες πλάσματος που σχετίζονται με τα αστροφυσικά περιβάλλοντα και να διερευνήσουν πώς τα έντονα μαγνητικά πεδία αλλάζουν τη συμπεριφορά των ατόμων και το φως που εκπέμπουν.
Διατήρηση ηλεκτρονίων στο κύμα
Μια πιθανή εφαρμογή των φωτεινών ελατηρίων είναι η επιτάχυνση σωματιδίων με βάση το πλάσμα. Στους συμβατικούς επιταχυντές πλάσματος, τα ηλεκτρόνια μπορούν τελικά να ξεπεράσουν τον παλμό λέιζερ που τα επιταχύνει, περιορίζοντας την ενέργεια που αποκτούν. Οι προσομοιώσεις υποδηλώνουν ότι τα ελικοειδή κύματα πλάσματος που κινούνται από φωτεινά ελατήρια θα μπορούσαν να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό. Επειδή το κύμα περιστρέφεται καθώς διαδίδεται, τα ηλεκτρόνια μπορεί να παραμείνουν στην περιοχή επιτάχυνσης για μεγαλύτερες αποστάσεις, επιτρέποντάς τους να φτάσουν σε υψηλότερες ενέργειες.
Ένας απλούστερος σχεδιασμός θα μπορούσε να διευρύνει τη χρήση
Οι επιστήμονες συνεχίζουν να δοκιμάζουν το λέιζερ και να εξερευνούν το ευρύ φάσμα εφαρμογών του. Εργάζονται επίσης σε ένα σχέδιο που θα μπορούσε να συγχωνεύσει όλα τα οπτικά σε ένα μόνο εξάρτημα - ένα επίτευγμα που θα έκανε τα φωτεινά ελατήρια πολύ πιο εύκολα στην εφαρμογή και την κλιμάκωση.
www.worldenergynews.gr
