Responsable: RICARDO ONDARZA ROVIRA

Objetivos:

Desarrollar estudios en Física de Plasmas, que permitan tanto formular modelos teóricos, como implementar códigos de simulación numérica, para explicar el mecanismo de la generación de armónicos de alto orden en la interacción de pulsos cortos de luz láser intensa con plasmas densos, así como la generación de pulsos ultracortos de radiación láser en el rango de los attosegundos de duración. Se incluye, además, como objetivos particulares, estudiar aquellos efectos del plasma que se producen durante la interacción y la relación de éstos con la generación de armónicos. Se realizaron simulaciones numéricas para diferentes escenarios, de la interacción de pulsos intensos de duración en el rango de femtosegundos con plasmas de densidad supercrítica. Se estudiaron los efectos producidos en la generación de armónicos por la producción de partículas relativistas, y por la formación y propagación de ondas de plasma.

Antecedentes:

Diversos aspectos de la física de la interacción de láseres con plasmas, han cobrado gran interés durante las dos últimas décadas en los principales centros y laboratorios de investigación en el mundo. Se han realizado estudios en áreas que conciernen la propagación de luz láser intensa en plasmas densos, la absorción de radiación y transporte térmico de la energía absorbida en un plasma y de la generación de campos magnéticos intensos, entre otros. Otra área de la física de la interacción plasma-láser a la que se le ha dado notable atención, atañe al campo ampliamente conocido como inestabilidades paramétricas, inestabilidades inducidas por la luz y que incluyen, por ejemplo, las dispersiones Raman (SRS) y Brillouin (SBS) estimuladas, pudiendo éstas ser de importancia en la absorción efectiva de la energía de un láser en un plasma. En ambas inestabilidades, uno de los productos del decaimiento es una onda electromagnética, pudiendo resultar en una fuente de disipación de energía. En el caso de SRS, el segundo producto es una onda de plasma, mientras que en SBS la onda en cuestión es iónica. Disrupciones en la propagación de la luz por variaciones en la densidad constituyen otra fuente posible de inestabilidades que conlleva a fenómenos de filamentación y que debido a esto y a las inestabilidades en general,  es que se les haya dado gran atención con el objeto de poder prevenirlas. En experimentos de pulsos cortos que usan láseres de longitud de onda larga, la absorción resonante es un proceso dominante, mientras que para pulsos de duración larga con longitudes cortas, la absorción es predominantemente clásica (inverse bremsstrahlung). Muchos otros fenómenos forman la extensa variedad de facetas que caracterizan la interacción de luz láser con plasmas, entre los que cabe citar, por ejemplo, a la generación de armónicos y de intensos campos magnéticos del orden de gigagauss en regiones espaciales de escala pequeña, entre otras.

El principal interés del proyecto aquí propuesto corresponde a una faceta particular de la física de la interacción de láseres con plasmas: en la generación de armónicos ópticos de alto orden, múltiplos de la frecuencia fundamental, por un plasma denso irradiado por un pulso de femtosegundos a intensidades altas. En esta área de investigación se ha mostrado un gran interés por el desarrollo de fuentes de generación de radiación en el régimen de los rayos X, constituyendo un campo de aplicación  potencial diversa en diferentes disciplinas y campos de estudio.

La generación de armónicos es generalmente asociada con la producción de electrones energéticos en un plasma. Tal es el caso de la radiación sincrotrónica donde electrones de energía relativista radian espectros de emisión a frecuencias armónicas de Larmor, como es el caso de los estudios de emisión de microondas por columnas de plasma  en presencia de campos magnéticos, y donde han sido observados tantos como 40 armónicos. Cuando una fuente de radiación incide en un plasma, los campos electromagnéticos asociados inducen corrientes transversales, debido al movimiento de los electrones acelerados en dichos campos. El contenido armónico surge de los efectos relativistas en el movimiento de los electrones y se encuentra ampliamente descrito en la teoría clásica de la dispersión Thomson por electrones libres. Sin embargo, en un plasma no denso los efectos de acumulación de carga debido a la parte longitudinal del movimiento crean una fuente que cancela casi totalmente las correcciones de masa relativista. Por esta razón, los plasmas que son ópticamente transparentes a la radiación electromagnética, son fuentes débiles e ineficientes de emisión de armónicos. La intensidad de la emisión aumenta conforme el plasma se torna más denso, y por ende, opaca a la radiación incidente.

En contraste con el límite no denso, para plasmas con densidad mayor que la crítica, la fuente dominante que genera los armónicos corresponde a las perturbaciones de densidad alrededor de la superficie crítica. El trabajo experimental realizado en el Laboratorio Nacional de los Alamos, reportó la observación de 46 armónicos. En aquel entonces, el orden más alto se pensó que correspondía tanto a la emisión de la zona de plasma más densa como a ondas de plasma superficiales producidas por la absorción resonante de la interfase plasma-vacío. Posteriormente, se demostró  que a intensidades mayores a 10¹⁸ W/cm² el corte en el espectro de frecuencias predicho  por teorías anteriores desaparece. En principio, más de 60 armónicos pueden ser generados con eficiencias superiores a 10^-6, para densidades de plasma n_e/n_c = 10–30, donde n_e es la densidad de electrones y n_c la densidad crítica  del plasma.

El trabajo realizado por otros autores ha demostrado que para dichas intensidades el efecto del corte en el espectro de emisión desaparece y pueden ser emitidos armónicos de alto orden en el rango de rayos xuv, efecto presuntamente debido a inestabilidades y perturbaciones de densidad en la superficie del plasma. Estas predicciones se corroboraron en el laboratorio Rutherford del Reino Unido en 1996, donde 70 armónicos fueron generados a partir de la irradiación de hojas delgadas de aluminio por pulsos de 2.5 ps de duración a intensidades del orden de 10¹⁹ W/cm². Más recientemente, en 2007, en este laboratorio y a intensidades por arriba de 10²⁰ W/cm², fueron observados radiación armónica de rayos-X, con energías de 3.8 keV, con órdenes mayores de 3200.

Beneficios:

Con los avances de la tecnología actual, haces de duración corta (< 1 ps ) han permitido irradiar blancos a intensidades altas  (≥ 10¹⁸ W/cm² ). El desarrollo de estos dispositivos, conocidos como T³ (tabletop-terawatt), ha hecho permisible irradiar materiales a mayores potencias  (≥ 1 TW), basándose en principios ópticos conocidos como amplificación de pulso (CPA). Esta técnica ha superado las limitaciones que en el pasado se tenían para almacenar altas densidades de energía que afligían a dispositivos láser previos de estado sólido. El concepto de CPA proliferó rápidamente desde su primera aplicación a mediados de los años 80´s y se ha convertido en una técnica ampliamente empleada en el dominio de la física de láseres intensos, conocido alternativamente como ciencia de campos intensos.  Algunos de los procesos de plasma-láser que se encuentran en la literatura en conexión con pulsos de luz intensa, involucran conceptos como las guías ópticas, la excitación de radiación coherente a múltiplos enteros de la onda fundamental y la generación de ondas de plasma de gran amplitud, así como el renovado interés en la generación de intensos campos magnéticos. Estos procesos conciernen, en diferente grado, a los esquemas de aceleración y en investigación de fusión láser. Esta última ha retomado nuevo ímpetu a partir de propuestas novedosas como la del Fast Ignitor (FI), que usaría un pulso para comprimir el blanco y después en la etapa final – y sólo entonces – encender el combustible. El FI alcanzaría la ignición por medio de un pulso de luz ultra-intenso enfocado en un plasma de densidad sólida. En dicho dispositivo, la chispa de ignición es proporcionada por el flujo de electrones relativistas en una escala de tiempo suficientemente corta para que la expansión hidrodinámica sea despreciable.

La emisión de rayos X tiene aplicaciones diversas en varios campos de estudio, en particular en el régimen conocido como ventana de agua y ofrece la posibilidad del estudio de células vivas (holografía biológica) evitando el daño en sus estructuras, además de que proveería la resolución temporal suficiente para capturar los procesos dinámicos en escalas de sub-nanosegundos. Se  pueden encontrar aplicaciones importantes de fuentes coherentes xuv en el diagnóstico de plasmas, como en la determinación de la densidad del plasma por medio de técnicas interferométricas. Fuentes de luz de duración de nanosegundos pueden también encontrar aplicación en el campo de la litografía.

Las áreas de investigación arriba mencionadas, se encuentran íntimamente relacionadas con un número de facetas en la física de la interacción plasma-láser, y son de interés para el programa de trabajo aquí descrito y constituyen campos específicos de investigación y de aplicación tecnológica. Entre éstas, es de interés para este proyecto la generación de armónicos de alto orden –en el rango de los rayos X- múltiplos de la frecuencia fundamental, por un plasma denso, la absorción de energía y la formación de frentes de choque iónico y la generación de electrones relativistas.

Logros Obtenidos:

Se llevaron a cabo simulaciones numéricas por la técnica de partículas, de la interacción de pulsos intensos y ultracortos de radiación láser en plasmas supercríticos, con el propósito de estudiar la generación por reflexión de armónicos de luz en el rango del ultravioleta, así como de trenes de pulsos con duración de sub-femtosegundos. La evidencia numérica encontrada en los espectros de emisión llevó a la conclusión de que bajo ciertas condiciones, el espectro armónico emitido es perturbado por la emisión de las oscilaciones del plasma generadas al interior del blanco, encontrándose que el concepto de un decaimiento universal único, predicho por otros autores no se cumple en el tipo de las interacciones estudiadas.  Bajo dichas condiciones, y dentro de un margen amplio en la variación de parámetros, tanto del plasma como del campo de luz, el decaimiento espectral está lejos de ser descrito por una ley universal, encontrándose que los índices de decaimiento se encuentran dentro de un rango de magnitud menor al sugerido por la teoría de similaridad, produciendo espectros de emisión más planos. Debido a que la reducción en el índice de decaimiento armónico tiene un significado potencial con implicaciones de altas eficiencias de emisión, y de esta forma en la generación de pulsos coherentes en attosegundos, este es un tema de gran interés particular en esta rama de investigación, teniendo amplio potencial como fuente de diagnóstico para el estudio de la dinámica de la estructura electrónica de la materia.

El ingrediente principal en la interacción estudiada, radica fundamentalmente en el tipo de polarización del campo de luz que incide sobre el blanco de plasma. En este caso, se utilizó un pulso de luz láser con polarización p, que permitió la generación de oscilaciones del plasma, así como este último caracterizado por un gradiente de densidad pronunciado en su interface con el vacío. De esta forma, se permitió al pulso de luz, incidir de forma oblicua en el plasma y se obtuvo la distribución de los índices de decaimiento espectral en función del parámetro de similaridad S, que representa la razón de la densidad del plasma y la intensidad del pulso. Se obtuvo con este análisis que el índice de decaimiento que describe a los espectros de emisión es de magnitud menor (5/3) y se aglutina en valores pequeños del parámetro S.  En términos de los parámetros físicos que definen a S, la intensidad y la densidad, se encontró que sólo el caso ultra-relativista describe un decaimiento espectral de acuerdo a la teoría de similaridad (8/3), mientras el resto de las interacciones lo hacen con decaimientos espectrales descritos con índices por debajo de éste.

Con el propósito de explicar el efecto anterior, se estudiaron distintos modelos teóricos reportados en la literatura, que describen la emisión armónica del plasma en otros contextos de la física de plasmas, tanto de forma experimental como de aquellos por fuentes astrofísicas. De estos estudios, se ha encontrado la evidencia de que los efectos del plasma pueden producir emisiones espectrales con índices de decaimiento que se asemejan a aquellos encontrados aquí de forma numérica, y con el origen de emisión atribuible a la emisión del plasma y sus armónicos. En este contexto, cabe señalarse que en un proyecto anterior se encontraron como fuentes de emisión a la del plasma y sus armónicos, hasta del tercer orden.

Se estudió, además, la dinámica de las partículas en el plasma y se encontró una fuerte correlación entre el campo eléctrico reflejado y la concentración electrónica al interior del plasma. De estos estudios se encontró evidencia de que las fuentes de emisión de los trenes de pulsos de attosegundos reflejados, correspondían a regiones del plasma de alta densidad electrónica, y alrededor de los cuales intensos campos electrostáticos son generados.

El trabajo realizado en este proyecto fue (1) presentado en la conferencia 1st. Porto Workshop on Sources of Super-Intense and Ultrashort Laser Pulses, October 26-28 (2009), en Porto, Portugal, con el artículo intitulado “Plasma effects in high-order harmonic emission from ultrarelativistic laser-plasma interactions”, el cual se encuentra en prensa para las Memorias del  AIP Conf. Proc., 2010. Durante este período se preparó (2) otro artículo de investigación, mismo que fue publicado en Phys. Lett. A  374, 1517 January (2010), con el título “Plasma effects in attosecond pulse generation”.

Vinculación:

(a) Instituto Nacional de investigaciones Nucleares, Departamento de Física, México.

(b) Centre for Theoretical Physics, University of Essex, U.K.