Cyclops fue un láser de alta potencia construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en 1975. Fue el segundo láser construido en el programa Láser del laboratorio , cuyo objetivo era estudiar la fusión por confinamiento inercial (ICF). [1]
El Cyclops era un láser de vidrio de neodimio (Nd:vidrio) de un solo haz. El láser Janus , una versión de dos haces del mismo, también se completó en 1975. Los principales objetivos científicos de su construcción fueron el estudio de los efectos de enfoque no lineal en haces láser de alta potencia, nuevas técnicas de amplificación (discos de vidrio de neodimio en el ángulo de Brewster ), técnicas de filtrado espacial que se utilizarían en láseres posteriores de mayor potencia, como los láseres Argus y Shiva , y para la investigación de la fusión por confinamiento inercial (ICF).
Incluso los primeros experimentos con láser ICF demostraron que uno de los principales problemas que era necesario abordar era el enfoque deficiente de los haces y el daño causado a la óptica debido a las intensidades extremas del haz causadas por el efecto óptico Kerr , donde, debido a que el haz es tan intenso, que durante su paso a través del aire o del vidrio, el campo eléctrico de la luz en realidad altera el índice de refracción del material y hace que el haz en los puntos más intensos se "autoenfoque" hasta formar estructuras similares a filamentos de intensidad extremadamente alta. Cuando un haz colapsa en filamentos de intensidad extremadamente alta como este, puede superar fácilmente el umbral de daño láser del vidrio láser y otros componentes ópticos, dañándolos gravemente al crear hoyos, grietas y pistas grises a través del vidrio.
Este nuevo problema sólo se hizo evidente cuando se aumentó la potencia de los láseres hasta el punto de que se producen fenómenos no lineales con rayos de luz muy intensos. Krupke, del LLNL, afirmó:
Si la intensidad de la luz es suficientemente alta —como en los láseres de fusión— el campo eléctrico de la luz perturba los átomos del vidrio tan fuertemente que éste responde de manera no lineal.
En aquel momento no existía una comprensión teórica sólida de estos efectos y era difícil predecirlos. Sin embargo, los investigadores del LLNL combinaron sus propios esfuerzos con los de los vendedores de vidrio comercial y pudieron desarrollar una nueva herramienta predictiva que explicaba la relación entre la intensidad del efecto no lineal en todos los tipos de vidrio. Como señaló Krupke:
Fue como la piedra Rosetta . Con esta correspondencia cuantitativa, pudieron representar gráficamente el rendimiento refractivo no lineal de millones de vidrios y encontrar el que tenía el valor más bajo posible. Luego trabajamos con nuestros socios industriales para hacer una composición con las características que necesitábamos.
Aunque el uso del vidrio adecuado permitió reducir el problema lo máximo posible, el problema seguía existiendo. Para experimentos más pequeños, este efecto no sería tan preocupante, pero con el Shiva, mucho más grande y más potente, ya en diseño, era necesario estudiar alguna forma de mejorar aún más la suavidad del haz del láser.
La forma más sencilla de eliminar estos efectos era filtrarlos físicamente utilizando lo que esencialmente equivale a una técnica de transformada de Fourier aplicada al perfil de intensidad espacial del haz. Los filtros espaciales de imágenes son, en efecto, pequeños telescopios invertidos insertados en el haz láser para enfocar la luz a través de un orificio. Sin embargo, muchos modos de anisotropía espacial darían como resultado un ángulo de difracción muy bajo con respecto a la línea central, por lo que para mejorar el rendimiento de suavizado, el tubo del filtro espacial es extremadamente largo, maximizando así la distancia que se mueven los filamentos desde la línea central. Un láser de este tipo no se había construido anteriormente; el láser Janus anterior, que exploró el láser de Nd: vidrio en sí, tenía solo unos pocos metros de largo.
Precisamente, Cyclops se diseñó para estudiar los problemas de construcción de un láser de gran longitud. Cyclops era, en efecto, un láser de un solo haz del diseño más grande de Shiva, que podía completarse lo más rápido posible para identificar posibles problemas y encontrar la mejor disposición para los filtros. Cyclops tuvo éxito en este objetivo, y todos los esfuerzos importantes de ICF desde entonces han utilizado la técnica de filtrado espacial, lo que ha dado lugar a "líneas de luz" láser cada vez mayores, del orden de 100 m en la actualidad.
Mientras Cyclops todavía estaba en construcción, se estaba construyendo otro láser LLNL que también incorporaba la técnica de filtrado espacial, Argus . Argus pasaba su luz a través de una serie de amplificadores, con filtros espaciales entre cada etapa y alcanzaba fácilmente potencias de haz de teravatios.