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Nuevos componentes ópticos para experimentos ultrarrápidos

Las fuentes de luz que emiten radiación coherente de alta potencia en forma de pulsos ultracortos son herramientas bien establecidas para estudiar las reacciones químicas en escalas de tiempo sumamente cortas. Un proyecto financiado por la Unión Europea ha desarrollado nuevos elementos ópticos difractivos (DOE) que permiten nuevas aplicaciones en investigación para estudiar la dinámica de las reacciones ultrarrápidas.
Nuevos componentes ópticos para experimentos ultrarrápidos
La generación de pulsos ópticos ultrarrápidos, cuyas duraciones se acercan a las escalas de tiempo de los procesos atómicos y moleculares fundamentales, está revolucionando la biología, la física y la química en los laboratorios de todo el mundo. Con la ayuda de los láseres pulsados, la espectroscopia con resolución temporal permite visualizar procesos altamente dinámicos de movimiento molecular y transferencia de electrones entre átomos. El hecho de incorporar DOE adecuados con una alta coherencia temporal en el campo óptico de un haz láser es la base para avanzar en las técnicas espectroscópicas.

En el marco del proyecto 3D RZP (The advanced instrumentation on the basis of 3D RZP for modern UV and X-ray sources), financiado por la Unión Europea, un grupo de científicos desarrolló componentes ópticos de alta calidad para la espectroscopia con resolución temporal en las regiones del ultravioleta (UV) y los rayos X. Los DOE en reflexión externa total son los únicos componentes ópticos que se pueden utilizar para enfocar radiación de alta intensidad. La dispersión espacial de la energía se logró utilizando placas de zonas de Fresnel.

Las instalaciones de femtodivisión de los anillos de almacenamiento de radiación sincrotrón son una de las pocas fuentes de rayos X pulsados de subpicosegundos que abarcan todo el rango de energías de fotones que se utilizan en la ciencia de los rayos X. En particular, la instalación de femtodivisión BESSY, situada en Alemania, es la única estructura que permite realizar estudios de dinámica ultrarrápida con pulsos de rayos X blandos de tan solo unos 100 fs de duración y polarización variable lineal y circular. Sin embargo, el aumento de la longitud de coherencia se consigue a expensas del flujo de fotones por pulso. Con el fin de abordar esta cuestión, el equipo de 3D RZP construyó y puso en servicio con éxito un nuevo tipo de línea de haz para femtodivisión de alto flujo con una eficiencia unas veinte veces mayor. Esta estructura única se basaba en el uso de una matriz de placas de zona de reflexión fuera de eje (RZP) que abarcaba un gran ancho de banda.

Las RZP de nueva creación también resultaron útiles para la espectroscopia de absorción de rayos X con resolución temporal sobre materiales biológicos utilizando láseres de electrones libres. El espectrómetro consistía en hasta 100 RZP sobre un sustrato de silicio.

Los científicos también revisaron y modificaron la tecnología de fabricación existente respecto a la precisión, uniformidad y reproducibilidad de los DOE. Se desarrolló un proceso de ataque de silicio con plasma de precisión por primera vez. El equipo elaboró técnicas innovadoras basadas en la aplicación de ataque iónico para perfilar estructuras de DOE diminutas con periodos laterales de hasta tan solo 100 nm.

Las DOE son componentes esenciales para realizar investigación con radiación de sincrotrón, láseres de electrones libres y generadores de armónicos elevados. Las nuevas DOE desarrolladas abarcan las altas energías de los fotones de rayos X hasta 20 keV y ayudarán a diseñar sistemas ópticos a medida.

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Palabras clave

Reacciones químicas, elementos ópticos de difracción, espectroscopia con resolución temporal, 3D RZP, placas de zona de reflexión
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