Cyclops fue un láser de alta potencia construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en 1975. Fue el segundo láser construido en el programa Láser del laboratorio , que tenía como objetivo estudiar la fusión por confinamiento inercial (ICF). [1]
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El Cyclops era un láser de vidrio de neodimio (Nd: vidrio) de un solo haz . El láser Janus , una versión de dos rayos del mismo, también se completó en 1975. Los principales objetivos científicos de su construcción fueron el estudio de los efectos de enfoque no lineal en rayos láser de alta potencia, nuevas técnicas de amplificación (discos de Nd: vidrio en el Brewster angle ), técnicas de filtrado espacial que se utilizarían en láseres posteriores de mayor potencia, como los láseres Argus y Shiva, y para la investigación de fusión por confinamiento inercial (ICF).
Fondo
Incluso los primeros experimentos con láser ICF demostraron que uno de los principales problemas que debían abordarse era el enfoque deficiente de los rayos y el daño causado a la óptica debido a las intensidades extremas del rayo causadas por el efecto óptico Kerr , donde, debido a que el rayo es tan intenso , que durante su paso a través del aire o el vidrio, el campo eléctrico de la luz en realidad altera el índice de refracción del material y hace que el haz en los puntos más intensos se "autoenfoque" hasta estructuras filamentosas de intensidad extremadamente alta. Cuando un rayo colapsa en filamentos de intensidad extremadamente alta como este, puede exceder fácilmente el umbral de daño del láser del vidrio láser y otras ópticas, dañándolos severamente creando hoyos, grietas y pistas grises a través del vidrio.
Este nuevo problema solo se hizo evidente cuando los láseres aumentaron su potencia hasta donde ocurren fenómenos no lineales con haces de luz muy intensos. Krupke de LLNL declaró:
Si la intensidad de la luz aumenta lo suficiente, como en los láseres de fusión, el campo eléctrico de la luz perturba los átomos del vidrio con tanta fuerza que el vidrio responde de forma no lineal.
En ese momento, no existía una sólida comprensión teórica de estos efectos y era difícil predecirlos. Sin embargo, los investigadores de LLNL combinaron sus propios esfuerzos con los de los proveedores comerciales de vidrio y pudieron desarrollar una nueva herramienta predictiva que explicaba la relación entre la intensidad del efecto no lineal para todos los tipos de vidrio. Como señaló Krupke:
Era como la piedra de Rosetta . Con esta correspondencia cuantitativa, pudieron trazar el rendimiento de refracción no lineal de millones de vidrios y encontrar el que tenía el valor más bajo posible. Luego trabajamos con nuestros socios industriales para hacer una composición con las características que necesitábamos.
Aunque el uso del vidrio adecuado pudo reducir el problema tanto como fue posible, el problema aún existía. Para experimentos más pequeños, esto no sería un efecto suficiente para preocuparse, pero con el Shiva mucho más grande y poderoso ya en diseño, se necesitaba estudiar alguna forma de mejorar aún más la suavidad del rayo del láser.
La forma más sencilla de eliminar estos efectos era filtrarlos físicamente utilizando lo que esencialmente equivale a una técnica de transformada de Fourier aplicada al perfil de intensidad espacial del haz. Los filtros espaciales de imágenes son, en efecto, pequeños telescopios invertidos insertados en el rayo láser para enfocar la luz a través de un orificio. Sin embargo, muchos modos de anisotropía espacial darían como resultado un ángulo de difracción muy bajo fuera de la línea central, por lo que para mejorar el rendimiento de suavizado, el tubo de filtro espacial es extremadamente largo, maximizando así la distancia que los filamentos se mueven desde la línea central. Un láser de este tipo no se había construido anteriormente, el láser Janus anterior, que exploró el láser de vidrio Nd: solo tenía unos pocos metros de largo.
Fueron precisamente los problemas de construir un láser largo lo que Cyclops fue construido para estudiar. Cyclops era efectivamente un solo haz del diseño Shiva más grande, uno que podía completarse lo más rápido posible para identificar problemas potenciales y encontrar la mejor disposición para los filtros. En este objetivo, Cyclops tuvo éxito, y todos los esfuerzos importantes de ICF desde entonces han utilizado la técnica de filtrado espacial, lo que lleva a "líneas de luz" láser en constante crecimiento del orden de 100 m en la actualidad.
Mientras Cyclops todavía estaba en construcción, se estaba construyendo otro láser LLNL que también incorporaba la técnica de filtrado espacial, Argus . Argus pasó su luz a través de una serie de amplificadores, con filtros espaciales entre cada etapa y poderes de haz de teravatios fácilmente logrados.