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

A luz que é invisível ao olho humano, situada logo além da extremidade violeta do espectro, ocupa um lugar único na ciência moderna. Este é o reino do ultravioleta extremo, ou EUV, uma forma de radiação tão energética que pode revelar os menores detalhes do mundo atômico. Para criar esta luz, os cientistas não utilizam lâmpadas ou lasers tradicionais; em vez disso, geram-na superaquecendo o gás até que se torne um plasma, um estado da matéria onde os eletrões são arrancados dos átomos, criando uma sopa fervilhante de alta temperatura. Neste ambiente, iões específicos podem ser induzidos a libertar explosões de luz em cores muito precisas. Embora esta luz seja incrivelmente útil para a fabricação avançada e microscopia, capturá-la e amplificá-la é notoriamente difícil. Os próprios espelhos necessários para guiar e fortalecer estes feixes de luz são frequentemente danificados ou destruídos pelo calor intenso e pelo bombardeamento do plasma que os cria. Esta fragilidade forçou, durante muito tempo, os investigadores a utilizar uma abordagem de "uso único", deixando a luz passar pelo plasma apenas uma vez antes de a recolher, o que limita a energia total que podem extrair.

Uma equipa de investigadores encontrou agora uma forma de obter mais deste processo delicado, conseguindo fazer com que a luz ricocheteie através do plasma para uma segunda passagem, duplicando efetivamente a amplificação sem destruir o seu equipamento. Eles focaram-se em dois tons específicos de luz ultravioleta extrema, um aos 69,8 nanómetros e outro aos 72,6 nanómetros, gerados a partir de iões de argão do tipo neão. A chave para o seu sucesso foi um espelho feito de carbeto de silício, um material tão duro que consegue resistir ao ambiente severo do plasma onde outros espelhos falhariam. Ao colocar este espelho na extremidade de um tubo estreito preenchido com gás argão, foram capazes de refletir a luz de volta através da coluna de plasma, dando-lhe uma segunda oportunidade de crescer mais forte. Esta configuração simples, mas robusta, permitiu-lhes estudar como a forma e a dispersão do feixe de luz mudam à medida que ajustam as condições iniciais do gás, revelando uma sensibilidade surpreendente à pressão do gás dentro do tubo.

O experimento começou com um tubo cerâmico longo e fino, conhecido como capilar, que foi preenchido com gás argão. Os investigadores utilizaram uma descarga elétrica poderosa para criar primeiro uma pequena quantidade de plasma e, em seguida, enviaram uma enorme vaga de corrente através dele. Esta corrente atuou como um aperto magnético, comprimindo o plasma num colo estreito e quente. À medida que o plasma atingia a sua densidade máxima, os átomos no seu interior eram excitados e começavam a emitir a luz ultravioleta específica que a equipa procurava. Para observar o que estava a acontecer, utilizaram uma câmara especializada e uma rede de difração que podia separar as diferentes cores de luz, permitindo-lhes mapear exatamente como a luz estava distribuída através do feixe. Eles compararam dois cenários: um onde a luz viajava através do plasma apenas uma vez, e outro onde o espelho de carbeto de silício a enviava de volta para uma segunda passagem. Os resultados foram imediatos e dramáticos. Quando a luz fez a viagem de ida e volta, o feixe de 69,8 nanómetros tornou-se mais de sete vezes mais brilhante, enquanto o feixe de 72,6 nanómetros cresceu mais de três vezes. Isto confirmou que o espelho estava a funcionar perfeitamente, refletindo a luz sem ser danificado, e que o plasma estava pronto para amplificar o feixe de regresso.

No entanto, a descoberta mais interessante surgiu quando os investigadores começaram a alterar a pressão do gás argão dentro do tubo. Eles descobriram que a forma do feixe de laser não era fixa; ela mudava dramaticamente dependendo de quanto gás estava presente. A uma pressão mais baixa de 14 pascais, a luz amplificada permanecia focada perto do centro do feixe, criando um ponto brilhante com uma dispersão relativamente estreita. À medida que aumentavam a pressão para 16 pascais, o feixe começava a alargar-se e a luz começava a espalhar-se de forma mais uniforme. Mas quando elevaram a pressão para 18 pascais, o feixe sofreu uma transformação completa. O centro brilhante desapareceu e a luz reorganizou-se num anel oco, ou anel, com a intensidade mais forte localizada nas bordas em vez do meio. Esta mudança ocorreu para ambas as cores de luz, indicando uma mudança fundamental na forma como a luz viajava através do plasma.

A razão para esta transformação reside na estrutura invisível do próprio plasma. À medida que a pressão do gás aumenta, a forma como o plasma é comprimido pelo campo magnético muda, criando uma diferença mais acentuada na densidade de eletrões do centro do feixe para as suas bordas. Este gradiente de densidade atua como uma lente, desviando a luz à medida que esta viaja. Quando a pressão é baixa, o gradiente é suave, a luz passa com pouca deflexão, mantendo-se perto do centro. Quando a pressão é alta, o gradiente torna-se íngreme, agindo como uma lente forte que desvia os raios de luz para fora. A luz que é refletida de volta pelo espelho viaja através deste ambiente denso e rico em gradientes e é desviada tão fortemente que é empurrada para longe do centro e forçada para as bordas do feixe. Isto explica por que o feixe se transforma num anel em pressões mais altas; o plasma está essencialmente a refratar a luz para longe do meio e a concentrá-la na periferia.

Os investigadores observaram que mesmo pequenas mudanças na pressão do gás, apenas alguns pascais, causavam estas grandes alterações na forma do feixe. Esta sensibilidade sugere que os lasers de 69,8 e 72,6 nanómetros são altamente responsivos às condições exatas do plasma no momento da geração. A equipa notou que, embora tivessem conseguido amplificar a luz de 69,8 nanómetros até ao ponto de saturação, ou seja, o ponto em que o plasma está a entregar o máximo de energia que pode, a luz de 72,6 nanómetros ainda tinha margem para crescer. O facto de terem conseguido alcançar esta amplificação de dupla passagem para o comprimento de onda de 72,6 nanómetros pela primeira vez é um passo significativo. Ao compreenderem como a pressão do gás controla a forma do feixe através da refração, os cientistas têm agora um caminho mais claro para otimizar estes lasers. Este conhecimento é essencial para tentativas futuras de construir sistemas mais complexos, como o uso de uma cavidade ótica completa para fazer a luz ricochetear várias vezes, o que poderá levar a fontes de luz ultravioleta extrema ainda mais poderosas e úteis.