Influence of Initial Gas Pressure on the Spatial Intensity Distribution of Double-Pass Amplified 69.8 nm and 72.6 nm Lasers

La luz que es invisible al ojo humano, situada justo más allá del extremo violeta del espectro, ocupa un lugar único en la ciencia moderna. Este es el reino del ultravioleta extremo, o EUV, una forma de radiación tan energética que puede revelar los detalles más ínfimos del mundo atómico. Para crear esta luz, los científicos no utilizan bombillas o láseres tradicionales; en su lugar, la generan sobrecalentando un gas hasta que se convierte en un plasma, un estado de la materia donde los electrones son arrancados de los átomos, creando una sopa hirviente y de alta temperatura. En este entorno, iones específicos pueden ser inducidos para liberar ráfagas de luz en colores muy precisos. Si bien esta luz es increíblemente útil para la fabricación avanzada y la microscopía, capturarla y amplificarla es notoriamente difícil. Los mismos espejos necesarios para guiar y fortalecer estos haces de luz suelen ser dañados o destruidos por el intenso calor y el bombardeo del plasma que los crea. Esta fragilidad ha obligado durante mucho tiempo a los investigadores a utilizar un enfoque de "un solo uso", dejando que la luz pase a través del plasma solo una vez antes de recolectarla, lo que limita la energía total que pueden extraer.

Un equipo de investigadores ha encontrado ahora una manera de obtener más de este delicado proceso al lograr que la luz rebote a través del plasma para un segundo paso, duplicando efectivamente la amplificación sin destruir su equipo. Se centraron en dos tonos específicos de luz ultravioleta extrema, uno de 6 de 69.8 nanómetros y otro de 72.6 nanómetros, generados a partir de iones de argón tipo neón. La clave de su éxito fue un espejo hecho de carburo de silicio, un material tan duro que puede resistir el duro entorno del plasma donde otros espejos fallarían. Al colocar este espejo al final de un estrecho tubo lleno de gas argón, pudieron reflejar la luz de vuelta a través de la columna de plasma, dándole una segunda oportunidad para crecer con más fuerza. Esta configuración simple pero robusta les permitió estudiar cómo cambian la forma y la dispersión del haz de luz a medida que ajustan las condiciones iniciales del gas, revelando una sorprendente sensibilidad a la presión del gas dentro del tubo.

El experimento comenzó con un tubo cerámico largo y delgado, conocido como capilar, que estaba lleno de gas argón. Los investigadores utilizaron una descarga eléctrica potente para crear primero una pequeña cantidad de plasma, y luego enviaron una enorme descarga de corriente a través de él. Esta corriente actuó como un apretón magnético, comprimiendo el plasma en una columna estrecha y caliente. A medida que el plasma alcanzaba su densidad máxima, los átomos en su interior eran excitados y comenzaban a emitir la luz ultravioleta específica que el equipo buscaba. Para observar qué estaba sucediendo, utilizaron una cámara especializada y una rejilla que podía separar los diferentes colores de luz, permitiéndoles mapear exactamente cómo se distribuía la luz a través del haz. Compararon dos escenarios: uno donde la luz viajaba a través del plasma solo una vez, y otro donde el espejo de carburo de silicio la enviaba de vuelta para una segunda pasada. Los resultados fueron inmediatos y dramáticos. Cuando la luz realizó el viaje de ida y vuelta, el haz de 69.8 nanómetros se volvió más de siete veces más brillante, mientras que el de 72.6 nanómetros creció más de tres veces. Esto confirmó que el espejo estaba funcionando perfectamente, reflejando la luz sin ser dañado, y que el plasma estaba listo para amplificar el haz de retorno.

Sin embargo, el descubrimiento más interesante llegó cuando los investigadores comenzaron a cambiar la presión del gas argón dentro del tubo. Descubrieron que la forma del haz de luz no era fija; cambiaba drásticamente dependiendo de cuánto gas estuviera presente. A una presión más baja de 14 pascales, la luz amplificada permanecía enfocada cerca del centro del haz, creando un punto brillante con una dispersión relativamente estrecha. A medida que aumentaban la presión a 16 pascales, el haz comenzaba a ensancharse y la luz empezaba a dispersarse de manera más uniforme. Pero cuando elevaron la presión a 18 pascales, el haz sufrió una transformación completa. El centro brillante se desvaneció y la luz se reorganizó en un anillo hueco, o ánulo, con la intensidad más fuerte ubicada ahora en los bordes en lugar del medio. Este cambio ocurrió para ambos colores de luz, indicando un cambio fundamental en la forma en que la luz viajaba a través del plasma.

La razón de esta transformación reside en la estructura invisible del propio plasma. A medida que la presión del gas aumenta, la forma en que el plasma es comprimido por el campo magnético cambia, creando una diferencia de densidad de electrones más pronunciada desde el centro del haz hacia sus bordes. Este gradiente de densidad actúa como una lente, desviando la luz a medida que viaja. Cuando la presión es baja, el gradiente es suave y la luz pasa con poca desviación, manteniéndose cerca del centro. Cuando la presión es alta, el gradiente se vuelve pronunciado, actuando como una lente fuerte que desvía los rayos de luz hacia afuera. La luz que es reflejada de vuelta por el espejo viaja a través de este entorno denso y rico en gradientes y es desviada tan bruscamente que es empujada lejos del centro y forzada hacia los bordes del haz. Esto explica por qué el haz se convierte en un anillo a presiones más altas; el plasma está esencialmente refractando la luz lejos del centro y concentrándola en la periferia.

Los investigadores observaron que incluso cambios pequeños en la presión del gas, de apenas unos pocos pascales, causaban estos grandes cambios en la forma del haz. Esta sensibilidad sugiere que los láseres de 69.8 y 72.6 nanómetros son altamente sensibles a las condiciones exactas del plasma en el momento de su generación. El equipo señaló que, si bien habían logrado amplificar la luz de 69.8 nanómetros hasta el punto de saturación, lo que significa que el plasma estaba entregando toda la energía que podía, la luz de 72.6 nanómetros aún tenía margen de crecimiento. El hecho de que pudieran lograr esta amplificación de doble pasada para la longitud de onda de 72.6 nanómetros por primera vez es un paso significativo hacia adelante. Al comprender cómo la presión del gas controla la forma del haz a través de la refracción, los científicos ahora tienen un camino más claro para optimizar estos láseres. Este conocimiento es esencial para futuros intentos de construir sistemas más complejos, como el uso de una cavidad óptica completa para hacer que la luz rebote de un lado a otro múltiples veces, lo que podría conducir a fuentes de luz ultravioleta extrema aún más potentes y útiles.