En EUREKA: El centro de láseres pulsados, ultraintensos y ultracórtos (CLPU), con Luis Roso

En los dos últimos programas de EUREKA (que podéis escuchar aquí: ROSO1 y ROSO2) tratamos sobre la instalación de primera categoría que disponemos en Salamanca, trata del centro de Láseres Pulsados, Últraintensos y Ultracortos o CLPU, para ello entrevistamos a su director el profesor Luis Roso. Además de escuchar el programa puede consultar la web del CLPU donde encontrará un amplio material divulgativo.

Hace 30 años Luis Roso Franco, nuestro entrevistado, se encontraba en la Universidad de Rochester (Nueva York). Allí mismo la investigadora Dona Strickland y el Prof Gerard Mourou estaban inventando una nueva forma de conseguir láseres de altísima energía con pulsos ultracortos. Con ello se abriría una nueva frontera en la física experimental. Luis Roso se propuso instalar en España uno de esos superláseres. A día de hoy está a pocos meses de poner en funcionamiento uno de los láseres más potentes del mundo, entrando en la frontera del Petavatio. Este láser tan extraordinariamente potente está instalado dentro Parque Científico de Villamayor, a pocos kilómetros de Salamanca, en un edificio de aspecto futurista, identificado como M5, en cuya fachada se puede leer: CLPU (Centro de Láseres Pulsados Ultracortos) . El profesor Roso, que es desde 1991 Catedrático de Óptica en nuestra Universidad, hasta llegar a esta meta ha tenido que recorrer un largo camino. Hoy nos va a hablar de ese camino y de las posibilidades que ofrecen las excepcionales instalaciones del CLPU.

Los láseres los encontramos en todas partes: En un partido de futbol, intentando deslumbrar al jugador del equipo contrario, en DVD en el Blue-Ray, el oculista, y en lugares que ni podemos sospechar. La palabra láser es un acrónimo del inglés: Luz amplificada por emisión estimulada de radiación. Un láser es básicamente una fuente de luz estimulada, en contra de la emisión espontánea que es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. La emisión estimulada confiere a la luz unas propiedades muy interesantes, como son la alta potencia, su capacidad para ser amplificada, la direccionalidad, la posibilidad de conseguir una frecuencia de emisión bien definida, la capacidad de emitirse en pulsos de muy corta duración, todo eso son diversas formas de aprovechar la característica esencial de la luz láser, la coherencia.

El sistema de láseres VEGA instalados en el CLPU nos introduce en un mundo poco explorado: Potencias enormes durante tiempos brevísimos. El laser producirá la potencia de 1 petawatio en pulsos de tiempo brevísimos: 30 femtosegundos, que es tiempo que tardaría la luz en atravesar 10 micras, el grosor de un cabello. Tras ese disparo VEGA 3 permanece parado un segundo hasta que genera un nuevo pulso. En términos energéticos equivale a 1 julio por segundo, o una caloría cada 4 segundos. Un segundo es un tiempo enorme comparado con los 30 femtosegundos que dura un pulso. Para que nos demos una idea: equivale a ir colocando hojas de papel cada 300 mil kilómetros, cada pulso se genera solo durante tiempo que la luz atraviese la hoja. Si sumásemos la duración de todos los pulsos que producirá VEGA durante toda su vida nos daría una cifra mucho menor a 1 segundo. En cierto sentido eso es una ventaja pues si produjese millones de disparos por segundo necesitaríamos una central eléctrica para el CLPU, Un sistema con esa cadencia de disparo no se ha inventado, cuando se consiga será un nuevo salto.
Los láseres pulsados generan pulsos de una duración brevísima, en la web del CLPU nos lo explican. Las ondas en forma de pulsos se producen superponiendo muchas ondas continuas con frecuencias distintas. Todo el que haya afinado una guitarra alguna vez sabrá que si toca dos cuerdas ligeramente desafinadas oirá una pulsación y que la frecuencia de esa pulsación es tanto mayor cuanto más desafinadas entre sí están las cuerdas. Con los láseres pasa lo mismo (lo cual no es de extrañar si tenemos en cuenta que el funcionamiento de un láser tiene cosas en común con el mecanismo de una guitarra). Si la cavidad resonante del láser contiene ondas de muchas frecuencias distintas que se suman para producir una salida de luz pulsada. Cuantas más frecuencias distintas se sumen, más cortos serán los pulsos. De hecho, la duración de los pulsos es inversamente proporcional al rango de frecuencias contenido en la cavidad. Por tanto, el secreto para la generación de pulsos ultracortos es contar con dos ingredientes: un medio activo que emita luz láser en un rango amplio de frecuencias y una técnica para fijar las fases relativas entre las diferentes ondas, lo que se conoce como mode-locking.

Cuando se inventó el láser en 1960, no servía para nada. De hecho, en aquellos tiempos, algunos científicos se referían al láser como “una solución en busca de problema”. Hoy sin embargo la situación es muy diferente y el láser ha encontrado tantas aplicaciones que son imposibles referirse a ellas en un programa. A lo largo de las últimas décadas, el incesante desarrollo de la tecnología láser con la generación de pulsos cada vez más cortos y energéticos está abriendo la puerta a fenómenos insospechados con múltiples aplicaciones prácticas. Por un lado, la disminución de la longitud temporal de los pulsos nos permite tener acceso a los fenómenos más rápidos que se dan en la naturaleza, como por ejemplo la dinámica electrónica en átomos y/o moléculas. Y por otro, al aumentar la energía de la radiación láser y por tanto de la interacción láser-materia, se fuerza hasta condiciones extremas a la naturaleza obligándola a mostrar todo su “esplendor”. Una de las aplicaciones más interesantes que se están desarrollando hoy en día es la aceleración de partículas cargadas mediante láseres ultracortos y ultraintensos para su uso en nuevas técnicas de radioterapia.

Desde la década de 1920 sabemos que el origen de la energía de las estrellas a se debe a las reacciones de fusión nuclear que suceden en su interior. Núcleos ligeros, la mayoría isótopos de hidrógeno y helio interaccionan entre sí, fusionándose algunos de ellos y liberando energía. Desde hace decenas de años estamos intentando reproducirlo en la Tierra. Se han realizado avances: sabemos producir fusión, pero nos falta conseguir que el proceso genere más energía de la que consume y eso de forma prolongada. Cuando lo consigamos dispondremos de energía ilimitada. Una de las apuestas más esperanzadoras para este fin es la instalación NIF situada en EEUU que concentra la energía de 192 superláseres (esos láseres son de más energía, pero menos potencia que el CLPU) en bolitas de deuterio-tritio produciendo fusión, pero está lejos de conseguir las condiciones de producir energía de fusión comercialmente.

La aplicación de pulsos ultracortos está llegando ya a la industria. La gran revolución ha sido la femtoquímica, que estudia las reacciones químicas en escalas de tiempo extremadamente cortas, podemos literalmente filmar las reacciones químicas. Hasta ahora conocíamos los productos iniciales y finales de una reacción química, ahora podemos ver los productos intermedios, e investigar por qué se producen algunas reacciones y otras no. Los láseres de femtosegundo están mostrando una serie de aplicaciones industriales muy prometedoras basadas esencialmente en la ausencia de efectos térmicos. A escala del femtosegundo el material se volatiliza antes de fundirse. Así no se crean zonas fundidas que dan lugar a materiales con bajas prestaciones. De la misma forma, la ausencia de efectos térmicos tiene interés en medicina y ya se plantea el empleo del láser de femtosegundos en, por ejemplo, cirugía refractiva oftalmológica.
Los láseres de teravatio y petavatio plantean una serie de posibilidades nuevas e insospechadas. Aunque generan energías pequeñas ésta se concentra en espacio y tiempo de una forma extrema. Lo mejor de todo es que se trata de sistemas “relativamente” sencillos. Ademas producen campos eléctricos enormes que se pueden focalizar hasta intensidades gigantescas ( superiores a 10 elevado a 22 Watios en 1 centímetro cuadrado). A estas intensidades los electrones son literalmente arrancados de los átomos y acelerados a velocidades relativistas. Las aplicaciones son multidisciplinares y muy novedosas. Además de las aplicaciones ya existente se vislumbran nuevas posibilidades como son: Fuentes de neutrones, Laseres de rayos X, Trasmutación nuclear (con la que podría llevarnos a la desactivación de los residuos nucleares de vida larga), Generación de isótopos adecuados para la tomografía de positrones o PET para su uso en medina en instalaciones pequeñas.

El Centro de Láseres Pulsados Ultracortos y Ultraintensos o CLPU es una infraestructura científico-tecnológica singular (ICTS). Ser una ICTS significa que ser un centro que cuenta con un equipamiento científico singular, único en ese campo en España y muy relevante internacionalmente. En Castilla y León solo hay dos centros singulares: El CLPU y el Centro de la Evolución humana. Lo que la hace singular es sistema láser de petavatio llamado VEGA. No es el único sistema láser del centro, es el último en llegar. El CLPU es un consorcio público constituido por el Ministerio de Económica y Competitividad, con el 50% de aportación, la Junta de Castilla y León con el 45% y la Universidad de Salamanca con el 5%. El coste del conjunto de instalaciones que forman el CLPU ronda los 50 millones de euros.
Para saber más del tema visite: CLPU