Los inviernos son fríos en Rochester, Nueva York. La ciudad se encuentra en la costa sur del lago Ontario, y los túneles conectan los edificios de la universidad cercana para proteger a los estudiantes de las temperaturas.
Pero la nieve, el cielo sombrío y el frío hacen que sea una estación estupenda para esquiar.
Gérard Mourou, Ph.D., viajaba en telesilla en una estación de esquí local en la década de 1980. No había mucho que hacer en un telesilla en aquellos días, antes de que el teléfono celular se convirtiera en nuestro más nuevo apéndice.
Su mente se desvió hacia su trabajo en física de altas energías en la Universidad de Rochester. Como profesor y miembro del Laboratorio de Energética Láser, intentaba descubrir cómo aumentar la potencia de los láseres.
El objetivo de Mourou era desarrollar un pulso láser ultracorto y de alta intensidad sin destruir el equipo utilizado para producirlo.
Ese viaje en ascensor produjo quizás su mayor avance.
Horizonte de Rochester, Nueva York
El científico estadounidense Theodore Maiman inventó el láser en 1960. Posteriormente, la potencia de los láseres aumentó lentamente. Los científicos se esforzaron por crear pulsos más intensos sin que la luz destruyera el material amplificador.
Sentado en la telesilla, Mourou tuvo un momento de inspiración.
“Recogí mi auto y fui inmediatamente al laboratorio en Rochester”, dijo Mourou. “Mis estudiantes estaban trabajando. Le dije: 'Morris, deja todo lo que estás haciendo; esto es lo que vamos a hacer'”.
Mourou ideó una forma de crear un extensor de ondas mediante rejillas que se convertiría en un componente clave de su idea, junto con su estudiante de posgrado Donna Strickland, para amplificar láseres de pulso corto. La denominaron amplificación de pulsos chirriantes (CPA).
La CPA, establecida en 1985, es una forma de amplificar un pulso láser sin destruir el medio amplificador. Su concepto es elegantemente simple: estirar el haz, amplificarlo y luego comprimirlo.
Estirar
Un pulso inicial corto de luz de un láser viaja a través de un par de rejillas de difracción. Estas rejillas envían los componentes de menor frecuencia del pulso por una trayectoria más corta que los de mayor frecuencia. Las rejillas dispersan la luz del pulso en el tiempo entre 1000 y 100 000 veces.
Esto significa que la rejilla de difracción descompone el pulso en todos sus colores constituyentes y envía primero las longitudes de onda más largas y al final las más cortas. Esto produce una mayor duración del pulso, lo que reduce su intensidad.
Amplificar
Ahora que el pulso es más largo y de menor potencia, es seguro amplificarlo sin perder señal ni información. Una vez amplificado, el pulso es de mayor energía, pero aún de larga duración. De esta manera, puede atravesar el medio amplificador con seguridad.
Comprimir
Este pulso largo, amplificado y de mayor energía pasa por un segundo par de rejillas que invierten la función del primer par. Estas eliminan el retardo entre las longitudes de onda más largas y más cortas del pulso. Las rejillas combinan todas las longitudes de onda en un solo pulso con la misma forma y longitud que el pulso original. Las rejillas recomprimen el pulso a tiempo, lo que resulta en una versión amplificada del estado original del pulso láser.
El pulso resultante tiene una potencia amplificada mucho mayor. Estas intensidades serían imposibles de alcanzar de forma segura mediante la amplificación directa del pulso.
Copyright: ©Phil Saunders Graphics/ Proyecto École Polytechnique
La frecuencia de la luz láser cambia cuando los científicos estiran el pulso. Esto produce un chirrido, término acuñado en referencia a los cambios en la frecuencia del sonido a lo largo del tiempo cuando un pájaro emite un chirrido. Los componentes de alta frecuencia se retrasan, lo que resulta en una mayor duración del pulso y un chirrido.
El resultado de la CPA fueron láseres de pulso corto mucho más potentes. La potencia de los láseres aumentó drásticamente una vez que los científicos perfeccionaron la técnica.
Mourou no tenía en ese momento idea de la enormidad de su logro de 1985.
“Al principio, la camilla y el compresor no eran compatibles, así que no fue un gran logro”, dijo. “No sabíamos qué hacer con él. Pero sabíamos que aún nos quedaba camino por recorrer”.
La primera camilla era un cable de fibra. Eso causó problemas.
“En el primer CPA, usábamos fibra para estirar y rejillas para comprimir”, dijo Mourou. “Si el estirador y el compresor no encajan a la perfección, la forma no coincidirá”.
Mourou y Strickland buscaron la camilla y el compresor perfectos durante aproximadamente un año.
En la telesilla ese día de invierno, los pensamientos de Mourou se dirigieron al trabajo de Oscar Martínez, Ph.D. Martínez era un investigador que trabajaba en una aplicación de comunicaciones.
"Hizo exactamente lo contrario de lo que estábamos haciendo", dijo Mourou. "Nos comunicábamos juntos."
La falta de una coincidencia exacta entre el tensor de fibra y el compresor de rejillas interfirió en la salida.
Ese fue un gran problema. Lo resolví usando un tensor de dos rejillas, igual que el compresor. Me llevó un año o dos pensarlo. La fibra para estirar era fácil. La clave estaba en Oscar Martínez. Oscar Martínez quería comprimir este pulso. Me di cuenta de que su compresor era justo el tensor que buscaba.
Como resultado, Mourou y Strickland comenzaron a utilizar rejillas de difracción para la camilla que se adaptaban perfectamente a las rejillas del compresor.
El profesor Gérard Mourou y una de sus rejillas de difracción iniciales
La demostración de CPA de Mourou y Strickland en 1985 en la Universidad de Rochester fue una prueba de concepto. Basaron el experimento en fibra para un estirador y pequeñas rejillas de difracción para el compresor. Esto limitó la salida de la intensidad del pulso láser y la eficiencia del proceso de conversión de luz.
Cuando Mourou regresó a Francia, propuso modernizar lo que entonces era uno de los láseres más antiguos del país. Para ello, necesitaba rejillas mucho más grandes que generaran mayor potencia y eficiencia. La eficiencia es el porcentaje de energía proyectada sobre las rejillas que rebota en ellas.
Esto produjo más problemas.
“Al comprimir los pulsos, se obtiene una energía enorme en muy poco tiempo”, afirmó Olivier Nicolle, Director de Rejillas y OEM de HORIBA Francia. “Y se corre el riesgo de dañar la superficie recubierta de la rejilla”.
Mourou colaboró con HORIBA Francia, entonces una empresa independiente llamada Jobin Yvon, para desarrollar rejillas más grandes que generaran mayor potencia y eficiencia. Jobin Yvon también desarrolló recubrimientos recubiertos de oro que el haz comprimido no dañaría.
Las rejillas que desarrollaron Jobin Yvon y Mourou eran enormes para los estándares de la época: 190 mm por 350 mm (7,5 pulgadas por 13,8 pulgadas). Eran mucho más grandes que las rejillas comerciales estándar de 50 mm por 50 mm (dos pulgadas cuadradas) que se usaban comúnmente. Y había una buena razón para ello.
“Una rejilla de 190 x 350 mm es aproximadamente 25 veces más grande que una de 50 x 50 mm y, por lo tanto, puede comprimir un pulso láser de mucha mayor energía”, afirmó Nicolle. “Permite un aumento de energía 25 veces mayor. Además, se ahorra una cantidad significativa de energía al utilizar un diseño de rejilla altamente eficiente”.
La eficiencia es importante, ya que el haz rebota en cuatro rejillas al estirarse y luego comprimirse. Por lo tanto, cualquier pérdida de eficiencia se multiplica por cuatro.
El uso de rejillas de mayor eficiencia permite un ahorro energético considerable. La intensidad, gracias a su tamaño, convirtió inmediatamente al nuevo diseño de CPA en un sistema capaz de proporcionar la intensidad que buscaban los investigadores.
Treinta y tres años después del descubrimiento de la CPA en 1985, el comité Nobel otorgó a Mourou y Strickland, Ph.D., una parte del Premio Nobel de Física 2018. La tesis doctoral sobre CPA fue la tesis doctoral de Strickland y su primer artículo publicado. Titularon el artículo Compresión de pulsos ópticos chirpados amplificados y lo enviaron para su publicación el 5 de julio de 1985.
Cuando recibieron el Premio Nobel, ambos ya habían terminado sus estudios en la Universidad de Rochester.
Mourou se incorporó a la Universidad de Michigan en Ann Arbor en 1988, donde fundó el Centro de Ciencias Ópticas Ultrarrápidas. Regresó a Francia en 2005 y se convirtió en director del Laboratorio de Óptica Aplicada de la École Polytechnique. Actualmente colabora con un proyecto tripartito de la Unión Europea para aplicar la física de altas energías en diversos campos.
Strickland, canadiense, se convirtió en profesora de física óptica en la Universidad de Waterloo, en Ontario, Canadá. Fue la tercera mujer en recibir el Premio Nobel de Física.
Hay un pequeño museo en Estocolmo, Suecia, dedicado al Premio Nobel. Reconoce los mayores logros científicos.
Los directores del Museo Nobel le preguntaron a Mourou qué quería exhibir para conmemorar el descubrimiento del CPA.
Mourou eligió una de las rejillas de difracción originales Jobin Yvon (HORIBA) para sus experimentos con rejillas de mayor tamaño. Esto abrió las puertas a intensidades y potencias de pulso corto aún mayores. El gran avance residió en la robustez y el tamaño de la rejilla de difracción en un entorno de alta energía de pulso corto.
Rejilla de difracción HORIBA expuesta en el Museo Nobel
Strickland y Mourou generaron pulsos de 500 femtosegundos de duración. Con esa velocidad, fue posible estudiar las reacciones químicas y las actividades dentro de los átomos individuales.
La CPA se convirtió en el nuevo estándar para láseres de alta intensidad. Desde el descubrimiento de la CPA, la intensidad entregada en un pulso láser corto ha aumentado hasta el rango de petavatios. Un petavatio equivale a 10 de 15 vatios. Y la duración de un pulso se ha reducido al rango de femtosegundos, una cuadrilionésima de segundo. Es mucha potencia, pero dura muy poco.
La tecnología CPA también dio lugar a equipos de producción de láser más compactos.
La cirugía ocular con láser se convirtió en uno de los usos más conocidos de la CPA. Sin embargo, fue necesario un accidente inesperado en 1993 para comprender el potencial de la tecnología para el procedimiento.
Ocurrió en el laboratorio de Mourou en la Universidad de Michigan a principios de los 90. Un estudiante ajustaba un láser CPA sin usar las gafas protectoras requeridas. El láser le dio en el ojo. Mourou lo llevó rápidamente al Centro Oftalmológico Kellogg de la universidad para recibir tratamiento.
El oftalmólogo que examinó al estudiante quedó atónito.
«Es fantástico», dijo. «¿Qué tipo de láser usabas?»
El estudiante dijo: «Es un nuevo tipo de láser. ¿Por qué lo preguntas?»
“Es extraño”, dijo el médico, “porque el daño que tienes en el ojo es perfecto”.
El láser CPA causó una lesión perfectamente redondeada en la retina del estudiante. No hubo daños colaterales en el tejido circundante. Esto despertó el interés del centro médico en la tecnología, y finalmente invirtió en ella.
"Enseguida nos dimos cuenta de que teníamos algo", dijo Mourou. "El oftalmólogo me llamó unos días después y dijo que quería trabajar en nuestro grupo para hacer oftalmología de femtosegundos."
La oftalmología de femtosegundos es una cirugía ocular láser que utiliza ráfagas ultracortas de energía como un bisturí láser que no daña el tejido circundante.
Esa secuencia de eventos llevó finalmente al desarrollo de la cirugía ocular con láser. Los médicos introdujeron inicialmente láseres basados en CPA para la cirugía de refracción corneal en la creación de colgajo durante el LASIK en 2008, y posteriormente para la cirugía de cataratas.
Los científicos utilizan la tecnología CPA en diversos ámbitos, incluyendo investigación, industria, medicina y fabricación comercial. Casi todos los láseres más potentes usan CPA. Eso implica a quienes tienen más de 100 teravatios de potencia: 1 billón de vatios.
Esas aplicaciones incluyen:
Mourou está en una campaña para idear formas de cambiar la vida útil de los residuos radiactivos, el subproducto de la fisión nuclear. Dijo a The Conversation, una revista científica francesa:
"Toma el núcleo de un átomo. Está formado por protones y neutrones. Si añadimos o quitamos un neutrón, cambia absolutamente todo. Ya no es el mismo átomo, y sus propiedades cambiarán por completo. La vida útil de los residuos nucleares ha cambiado fundamentalmente, y podríamos reducirlo de un millón de años a 30 minutos."
"Ya somos capaces de irradiar grandes cantidades de material de una sola vez con un láser de alta potencia, así que la técnica es perfectamente aplicable y, en teoría, nada nos impide escalarla a nivel industrial. Este es el proyecto que estoy lanzando en colaboración con la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica, o CEA, en Francia. Creemos que dentro de 10 o 15 años tendremos algo que podamos demostrar. Esto es lo que realmente me permite soñar, pensando en todas las aplicaciones futuras de nuestro invento."
Tiene alguna pregunta o solicitud? Utilice este formulario para ponerse en contacto con nuestros especialistas.
