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

La luce che è invisibile all'occhio umano, situata appena oltre l'estremità violetta dello spettro, occupa un posto unico nella scienza moderna. Questo è il regno dell'ultravioletto estremo, o EUV, una forma di radiazione così energetica da poter rivelare i minimi dettagli del mondo atomico. Per creare questa luce, gli scienziati non utilizzano lampadine o laser tradizionali; invece, la generano surriscaldando un gas fino a farlo diventare un plasma, uno stato della materia in cui gli elettroni vengono strappati dagli atomi, creando una zuppa ribollente e ad alta temperatura. In questo ambiente, specifici ioni possono essere indotti a rilasciare impulsi di luce a colori molto precisi. Sebbene questa luce sia incredibilmente utile per la produzione avanzata e la microscopia, catturarla e amplificarla è notoriamente difficile. Gli stessi specchi necessari per guidare e rafforzare questi fasci di luce sono spesso danneggiati o distrutti dall'intenso calore e dal bombardamento del plasma che li crea. Questa fragilità ha costretto a lungo i ricercatori a utilizzare un approccio "una volta e basta", lasciando che la luce passi attraverso il plasma una sola volta prima di raccoglierla, il che limita l'energia totale che possono estrarre.

Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per ottenere di più da questo delicato processo, riuscendo a far rimbalzare la luce attraverso il plasma per un secondo passaggio, raddoppiando efficacemente l'amplificazione senza distruggere la propria attrezzatura. Si sono concentrati su due tonalità specifiche di luce ultravioletta estrema, una a 69,8 nanometri e un'altra a 72,6 nanometri, generate da ioni di argon di tipo neon. La chiave del loro successo è stata uno specchio fatto di carburo di silicio, un materiale così duro da poter resistere al duro ambiente del plasma dove altri specchi fallirebbero. Posizionando questo specchio alla fine di un sottile tubo riempito di gas argon, sono stati in grado di riflettere la luce nuovamente attraverso la colonna di plasma, dando alla luce una seconda possibilità di crescere in intensità. Questa configurazione semplice ma robusta ha permesso loro di studiare come la forma e la diffusione del fascio di luce cambino man mano che modificano le condizioni iniziali del gas, rivelando una sorprendente sensibilità alla pressione del gas all'interno del tubo.

L'esperimento è iniziato con un tubo ceramico lungo e sottile, noto come capillare, che è stato riempito con gas argon. I ricercatori hanno utilizzato una potente scarica elettrica per creare prima una piccola quantità di plasma e poi hanno inviato un massiccio aumento di corrente attraverso di esso. Questa corrente ha agito come una stretta magnetica, comprimendo il plasma in una colonna stretta e calda. Mentre il plasma raggiungeva la sua massima densità, gli atomi all'interno venivano eccitati e iniziavano a emettere la specifica luce ultravioletta che il team stava cercando. Per vedere cosa stesse accadendo, hanno utilizzato una telecamera specializzata e un reticolo in grado di separare i diversi colori della luce, permettendo loro di mappare esattamente come la luce fosse distribuita attraverso il fascio. Hanno confrontato due scenari: uno in cui la luce viaggiava attraverso il plasma una sola volta, e un altro in cui lo specchio di carburo di silicio la rimandava indietro per un secondo giro. I risultati sono stati immediati e drammatici. Quando la luce ha effettuato il viaggio di andata e ritorno, il fascio a 69,8 nanometri è diventato più di sette volte più luminoso, mentre il fascio a 72,6 nanometri è cresciuto di più di tre volte. Ciò ha confermato che lo specchio stava funzionando perfettamente, riflettendo la luce senza subire danni, e che il plasma era pronto ad amplificare il fascio di ritorno.

Tuttavia, la scoperta più interessante è arrivata quando i ricercatori hanno iniziato a cambiare la pressione dell'argon all'interno del tubo. Hanno scoperto che la forma del raggio laser non era fissa; cambiava drasticamente a seconda di quanto gas era presente. A una pressione inferiore di 14 pascal, la luce amplificata rimaneva focalizzata vicino al centro del fascio, creando un punto luminoso con una diffusione relativamente stretta. All'aumentare della pressione a 16 pascal, il fascio ha iniziato ad allargarsi e la luce ha iniziato a diffondersi in modo più uniforme. Ma quando hanno spinto la pressione fino a 18 pascal, il fascio ha subito una trasformazione completa. Il centro luminoso è svanito e la luce si è riorganizzata in un anello cavo, o annulus, con l'intensità massima ora situata ai bordi piuttosto che nel mezzo. Questo spostamento è avvenuto per entrambi i colori della luce, indicando un cambiamento fondamentale nel modo in cui la luce viaggiava attraverso il plasma.

La ragione di questa trasformazione risiede nella struttura invisibile del plasma stesso. Man mano che la pressione del gas aumenta, il modo in cui il plasma viene compresso dal campo magnetico cambia, creando una differenza più ripida nella densità degli elettroni dal centro del fascio ai suoi bordi. Questo gradiente di densità agisce come una lente, piegando la luce mentre viaggia. Quando la pressione è bassa, il gradiente è dolce, la luce passa con poca deflessione, rimanendo vicino al centro. Quando la pressione è alta, il gradimento diventa ripido, agendo come una forte lente che piega i raggi luminosi verso l'esterno. La luce che viene riflessa indietro dallo specchio viaggia attraverso questo ambiente denso e ricco di gradienti e viene piegata così bruscamente da essere spinta lontano dal centro e forzata verso i bordi del fascio. Questo spiega perché il fascio si trasforma in un anello ad alte pressioni; il plasma sta essenzialmente rifrangendo la luce lontano dal centro e concentrandola sulla periferia.

I ricercatori hanno osservato che anche piccoli cambiamenti nella pressione del gas, di pochi pascal, causavano questi grandi spostamenti nella forma del fascio. Questa sensibilità suggerisce che i laser a 69,8 e 72,6 nanometri sono altamente responsivi alle condizioni esatte del plasma al momento della generazione. Il team ha notato che, sebbene avessero con successo amplificato la luce a 69,8 nanometri fino al punto di saturazione, ovvero il punto in cui il plasma sta cedendo tutta l'energia che può, la luce a 72,6 nanometri aveva ancora spazio per crescere. Il fatto che siano riusciti a ottenere questa amplificazione a doppio passaggio per la lunghezza d'onda a 72,6 nanometri per la prima volta è un passo avanti significativo. Comprendendo come la pressione del gas controlli la forma del fascio attraverso la rifrazione, gli scienziati hanno ora una strada più chiara per ottimizzare questi laser. Questa conoscenza è essenziale per i futuri tentativi di costruire sistemi più complessi, come l'uso di una cavità ottica completa per far rimbalzare la luce avanti e indietro più volte, il che potrebbe portare a sorgenti di luce ultravioletta estrema ancora più potenti e utili.