Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica Optica No Lineal Efectos ópticos no lineales en plasmas Israel E. Lazo Martínez Julio/04

Contenido Plasma Distancia de Debye Clasificación de los plasmas Procesos no lineales en un plasma Oscilaciones en un plasma Interacciones paramétricas Razón de crecimiento y umbral en un plasma homogéneo Plasmas inhomogéneos Bombeo con una onda incoherente Inestabilidad de dos plasmones Acoplamiento de dos haces láser a una onda en un plasma Auto-enfocamiento de un haz láser en gases Experimentos de efectos no lineales en plasmas Aplicaciones

Plasma Puede definirse a un plasma como un sistema cuasi-neutro constituido por un gran número de partículas cargadas que exhiben movimientos colectivos.

Distancia de Debye Esta distancia, que podríamos definir como el radio de la esfera real de influencia de cada carga dentro del plasma se conoce como la distancia de Debye o la longitud de Debye. Donde k B es la constante de Boltzmann, T e es la temperatura absoluta del plasma, n e es el número de cargas (positivas o negativas) por metro cúbico y e es la carga del electrón.

Clasificación de los plasmas Plasmas calientes. Son plasmas en equilibrio termodinámico (global o local). Hay dos propuestas base: el confinamiento por campos eléctricos y magnéticos empleando estructuras toroidales y el confinamiento inercial, en el que se enfocan sobre micro-esferas de tritio haces de láser de potencia muy elevada. Plasmas fríos. Se producen en las descargas eléctricas al aplicar una diferencia de potencial de corriente continua (CC) a un gas a presión reducida. También se puede emplear como excitación voltajes de corriente alterna (AC) ya sea de RF (13,56 MHz), o bien microondas (2,45 GHz).

Procesos no lineales en un plasma  Cuando los electrones y los iones interactúan con dos o más fotones.  En procesos colectivos, cuando un acoplamiento significativo tiene lugar entre la onda y el plasma.  Cuando el índice de refracción del medio varía con la irradiancia.

Oscilaciones del plasma Uno de los movimientos colectivos más rápidos e importantes dentro de un plasma es la oscilación de los electrones respecto a los iones. Resolviendo las ecuaciones de Maxwell, considerando una onda con una amplitud pequeña que pueda propagarse en un plasma, tenemos que la frecuencia de oscilación está dada por:

Interacciones Paramétricas Estamos interesados en procesos paramétricos donde el bombeo con una onda electromagnética intensa (un haz láser incidente) transfiere su energía a otros modos de oscilación tales como ondas de plasma de electrones, ondas acústicas de iones y ondas electromagnéticas de otras frecuencias.  Inestabilidad paramétrica  Inestabilidad de dos plasmones  Dispersión estimulada Raman  Dispersión estimulada Brillouin

Razones de crecimiento y umbrales en un plasma homogéneo Una medida del campo de bombeo, que es igual a la amplitud de la excursión del electrón en el campo, está dada por: El parámetro denominado como “campo de fuerza”es:

Si  1 la distribución de velocidad del electrón es fuertemente perturbada por la radiación del campo. Cuando  1, la distribución de velocidad del electrón es dominada por la radiación inducida. Y la máxima razón de crecimiento esta dada por: Para el caso en el que  1, el bombeo umbral para la irradiancia en un plasma homogéneo esta dado por:

Efectos en un plasma no homogéneo La región de inestabilidad tiene una extensión espacial finita, de tal manera que la energía es llevada por las ondas de plasma de electrones y no es reemplazada por las ondas entrantes, por lo tanto las irradiancias de bombeo umbral incrementan.

Efectos de bombeo con una onda incoherente La razón de crecimiento decae conforme la coherencia se deteriora. Sin embargo el umbral para la inestabilidad paramétrica puede aumentar.

Inestabilidad de dos plasmones Otro proceso paramétrico que puede ser importante en un plasma ocurre cuando  pe  o /2. Esto nos lleva al decaimiento de un fotón en dos plasmones. Se ha encontrado que la irradiancia umbral para esta inestabilidad con k o =  o /c es: Y los modos más inestables están a 45º para E o y k o

Acoplamiento de dos haces láser a una onda en un plasma Dos haces con frecuencias  1 y  2 ambas mucho mayores a la frecuencia de oscilación del plasma  pe, pueden acoplarse paramétricamente a la onda del plasma. Mediante las relaciones de Manley-Rowe se demuestra que la máxima proporción de la energía incidente que puede ser convertida a energía de una onda-plasma es aproximadamente  ep /  1.

Absorción resonante Si la densidad de electrones aumenta en los límites de un plasma y excede la densidad crítica, una onda transversal incidente será reflejada A incidencia oblicua la onda será refractada. Si la onda oblicua tiene componentes de campo eléctrico sobre el plano de incidencia, esta puede pasar y conducir las oscilaciones del plasma de electrones en la dirección del gradiente de la densidad, y así perder energía.

Auto-enfocamiento de un haz láser en gases Es bien conocido que si el índice de refracción de un medio se incrementa con la intensidad, un haz gaussiano puede ser auto-enfocado, ya que el haz produce su propia lente positiva. El gradiente radial del campo eléctrico en un haz gaussiano produce fuerzas electrodinámicas en el medio, lo cual causa el auto-enfocamiento ya sea en un gas neutro o en un plasma completamente ionizado.

Aplicaciones Plasmas y Fusión Nuclear. Tanto para estudios básicos en Astrofísica como los aplicados para generar energía –reactores nucleares. Fuentes de radiaciones fotónicas. Los láseres de gas, las espectroscopías de emisión por plasma con acoplamiento Inductivo (ICP). Plasmas y Materiales. En el campo de la Microelectrónica como en Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Como métodos de deposito de películas delgadas o capas finas.

Bibliografía /ciencia3/126/htm/sec_6.htm /ciencia3/126/htm/sec_6.htm jantonio_valles/descargas.htm#II jantonio_valles/descargas.htm#II Harper Philip, Non linear optics:Proceedings of the Sixteenth Scotish universities Summer School in Physics, Academic Press, 1977.