Allineando una sequenza di amplificatori e specchi con precisione sottilissima su un tavolo ancorato a un blocco di acciaio in profondità nel sottosuolo, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno prodotto un potente laser verde. La luce, il laser verde a più alta potenza media mai generato da un singolo laser a fibra, sarà cruciale per gli esperimenti di fisica nucleare presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del laboratorio.

"Quando la luce verde colpisce un bersaglio 27 metri a valle di questo tavolo, genererà impulsi di elettroni necessari per raffreddare i fasci di ioni a RHIC per mantenerli in collisione, " ha detto il fisico di Brookhaven Zhi Zhao, che ha costruito il sistema laser ed è l'autore principale di un articolo che descrive i suoi attributi in Ottica Express , una rivista della Optical Society of America. Oltre a raffreddare i fasci di ioni a RHIC, un laser verde così potente potrebbe anche avere applicazioni nella lavorazione dei materiali, lavorazione laser, e generare altri laser.

Usare gli elettroni per raffreddare i fasci di ioni

Alti tassi di collisione a RHIC generano risme di dati per 1, 000 fisici nucleari che vengono in questa struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE per studiare gli intricati dettagli degli elementi costitutivi della materia. Le collisioni riducono i mattoni alla loro forma più primitiva:un brodo di particelle fondamentali che imita le condizioni dell'universo primordiale. Ma mentre gli ioni circolano attraverso i tunnel di circonferenza di 2,4 miglia di RHIC, tendono a scaldarsi e ad allargarsi, diminuendo le possibilità che si verifichino collisioni.

"La dispersione all'interno del raggio fa sì che gli ioni si diffondano e si perdano, così il raggio non sopravvive, " ha detto il fisico dell'acceleratore RHIC Michiko Minty, un coautore dell'articolo e leader del progetto per sviluppare e integrare questo laser nelle operazioni del collisore RHIC.

Il riscaldamento è un problema particolare quando i fasci di ioni circolano a energie relativamente basse, in un intervallo che gli scienziati RHIC stanno utilizzando per studiare aspetti interessanti di come il brodo primordiale si trasforma in protoni e neutroni più familiari. Quindi i fisici della RHIC hanno esplorato modi per iniettare periodicamente un flusso di elettroni relativamente freddi per togliere parte del calore degli ioni.

"Il punto centrale del raffreddamento degli elettroni è fermare la diffusione dei fasci di ioni per massimizzare il tasso di collisione, " disse Minty.

Il raffreddamento degli elettroni ha avuto successo in altri acceleratori di particelle. Ma al RHIC i fisici stanno esplorando nuove strategie per generare fasci di elettroni a energie di elettroni molto elevate (miliardi di elettronvolt), che richiede l'utilizzo di accelerazione lineare a radiofrequenza di grappoli energetici.

"Dobbiamo creare gruppi di elettroni che si sovrappongono ai gruppi di ioni, e i gruppi di ioni si ripetono. Quindi vogliamo generare una serie di treni di impulsi di elettroni che si co-propagano con gli ioni in modo che l'energia degli ioni possa essere trasferita agli elettroni, facendo restringere il raggio ionico, " disse Minty.

L'idea è di utilizzare gli impulsi di un laser per colpire un materiale fotoemissivo, un materiale che emette elettroni quando viene colpito con la giusta lunghezza d'onda, o colore, di luce, all'interno di un cannone elettronico a fotocatodo. Nel caso del fotocatodo installato nel cannone elettronico al RHIC, il colore magico è il verde.

(Luce infrarossa, luce verde, 1, 2, 3!

Per fare il semaforo verde, il team di Brookhaven ha iniziato con qualcosa di invisibile, un laser "seme" a infrarossi (IR) a potenza relativamente bassa. Inviano impulsi modulati di quella luce IR invisibile attraverso una serie di fibre ottiche per amplificare la potenza.

Quando la luce di un ulteriore laser a "pompa" IR entra nella fibra, eccita gli elettroni nel materiale che riveste la fibra. Quando questi elettroni si rilassano tornando al loro "stato fondamentale, " emettono fotoni di luce alla lunghezza d'onda IR, perfettamente in sincronia con le onde IR del seme, aumentando gradualmente la potenza del segnale in più stadi di amplificazione in fibra.

Una volta raggiunta la potenza desiderata, il laser a infrarossi colpisce un cristallo "raddoppio di frequenza".

"Quando due fotoni di luce infrarossa colpiscono il cristallo, emette un fotone di lunghezza d'onda più corta, " ha spiegato Zhao. "Il raddoppio della frequenza essenzialmente dimezza la lunghezza d'onda, cambiando l'ingresso IR in luce visibile verde."

La luce laser verde procede quindi a zig-zag lungo percorsi guidati da specchi sul piano del tavolo attraverso vari componenti ottici per ottimizzare l'uscita laser netta. Questi includono più cristalli utilizzati per convertire brevi impulsi laser in un treno di impulsi multipli (formazione temporale), una varietà di lenti per produrre il profilo trasversale desiderato degli impulsi laser (modellazione spaziale), e le cosiddette lastre a semionda utilizzate per far passare o rifiutare il passaggio del raggio laser per controllare l'intensità complessiva del laser.

Dopodichè, la luce laser è guidata da una serie di modulatori ottici elettrici—"dispositivi che tagliano sezioni della luce laser per produrre la sequenza desiderata di impulsi laser—una sequenza che corrisponde alla struttura dei fasci ionici da raffreddare, "Miti ha spiegato.

L'obiettivo è sincronizzare gli impulsi in modo che corrispondano alla frequenza del cannone elettronico in modo che gli elettroni risultanti possano essere accelerati per adattarsi perfettamente agli ioni accelerati che circolano in RHIC.

"Alla fine è la velocità del fascio di ioni che 'decide' ciò di cui abbiamo bisogno, e tutto deve essere abbinato a quello. Otteniamo un segnale dalle cavità di accelerazione ionica che viene utilizzato per generare i segnali di temporizzazione per i componenti che generano la struttura dell'impulso laser, " disse Minty.

Ancorare e testare la luce

I laser a fibra sono particolarmente adatti per generare fasci di elettroni ad alta luminosità negli iniettori di elettroni a fotocatodo. L'elevato rapporto superficie-volume della fibra supporta la generazione e l'erogazione di impulsi laser ad alta velocità di ripetizione e potenza laser media elevata. Anche, la dinamica della luce laser che si propaga attraverso la fibra porta a eccellenti profili laser, basse variazioni nella posizione del laser, e funzionamento esente da manutenzione. Nel loro insieme queste proprietà si traducono in un funzionamento a lungo termine di un laser altamente stabile, che è essenziale per i programmi di fisica RHIC.

Due fattori chiave che gli scienziati devono controllare sono il rapporto di estinzione del laser, la differenza tra il laser acceso e spento, e la sua stabilità.

"Se hai una luce presente quando non dovrebbe essere lì, otterrai elettroni residui, che possono produrre effetti indesiderati, " ha detto Minty. " Puntiamo a un fattore di 10-6, il che significa che quando diciamo che è spento è spento, e solo uno su un milione di elettroni passerà".

Per stabilità, gli scienziati devono assicurarsi che il percorso della luce non devii di più di 10 micron dal punto di partenza alla pistola del fotocatodo nel tunnel RHIC, anche con tutti i passaggi di amplificazione e i percorsi a zigzag sul piano del tavolo.

"Globale, il percorso è di circa 30 metri-3 metri sul piano del tavolo con 40 specchi che creano il percorso a zigzag e 27 metri nella linea di trasferimento, " disse Zhao, in piedi all'interno del rimorchio mobile che ospita il laser all'esterno dell'anello RHIC.

"Abbiamo stabilizzato la tavola scavando una grande buca e seppellendo un blocco di acciaio da 50 tonnellate al livello della falda freatica di Long Island, e praticare dei fori nel rimorchio per fissare il tavolo laser a quel blocco, " disse Minty. "Puoi saltare su e giù sul pavimento qui dentro e il tavolo non si muoverà, " lei ha aggiunto, indicando pali super stabili che tengono specchi e altri componenti chiave sul tavolo isolato dal movimento.

Anche, i lunghi tubi evacuati attraverso i quali viaggia il laser sono disaccoppiati da più tavole ottiche più piccole tra il rimorchio e il cannone elettronico situato all'interno dell'involucro RHIC. Questi tavoli ospitano ottiche e specchi con supporti anch'essi progettati per la stabilità termica e vibrazionale.

La squadra, che includeva anche Brian Sheehy (recentemente in pensione) e una nuova aggiunta, Patrick Inacker—ha già raggiunto due importanti traguardi per il Low-Energy Electron Cooling Experiment. Il 9 marzo, 2017, hanno trasportato con successo un laser di allineamento attraverso l'intero sistema di trasporto laser, seguito il 5 aprile dal primo trasporto di successo utilizzando la luce laser verde. Si prevede che i primi test di raffreddamento degli elettroni inizieranno durante le operazioni RHIC tra la fine del 2018 e l'inizio del 2019.