Imagen frontal de un haz de Bessel no lineal. / Miguel Ángel Porras

Explican los diferentes comportamientos de los filamentos de un modo unificado

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Investigadores de la UPM desvelan el orden subyacente al caos observado en los llamados filamentos de luz, larguísimos e intensísimos hilos de luz láser y materia ionizada, cuyo conocimiento permitirá ampliar sus aplicaciones tecnológicas.

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UPM / Observado por primera vez en 1964 en sólidos y en 1994 en el aire, el fenómeno denominado filamentación de luz ha sido recientemente explicado de un modo unificado por investigadores del Grupo de Sistemas Complejos (GSC) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). La forma en la que lo han hecho recuerda a la que utilizó Edward Lorenz cuando explicó la impredecibilidad del tiempo atmosférico debido al efecto mariposa, o lo que es lo mismo, a la extrema sensibilidad a las condiciones iniciales. Gracias a esta nueva comprensión del fenómeno desde la perspectiva de los sistemas complejos y la teoría del caos, se incentivarán nuevas investigaciones para el control de los filamentos de luz y la mejora de sus aplicaciones.

Lo que parece a simple vista un intenso hilo de luz presenta en realidad un comportamiento muy complejo

Uno de los propósitos de la ciencia de la complejidad es extraer patrones de comportamiento allí donde solo se observa desorden, tanto si el objeto de estudio es físico, económico o social. Expertos de la UPM, liderados por el profesor Miguel Ángel Porras, se propusieron en este contexto encontrar el orden subyacente al complejo fenómeno luminoso de la filamentación de luz.

En contra de la tendencia natural de la luz a esparcirse en todas direcciones, un haz de luz láser de potencia suficiente (por encima de varios gigavatios) se estrecha o auto-focaliza a medida que se propaga hasta casi colapsar en un punto. La altísima concentración de energía alrededor de ese punto consigue ionizar el aire y a partir de ahí emerge un filamento de luz, de unas pocas micras de diámetro, en el que el haz de luz y el canal de plasma que genera avanzan juntos, atrapados mutuamente. En su avance, el haz de luz y el canal de plasma interaccionan en un equilibrio altamente dinámico y no lineal a lo largo de distancias que pueden superar decenas de kilómetros, hasta que la energía electromagnética que ioniza el aire se consume.

Lo que parece a simple vista un intenso hilo de luz presenta en realidad un comportamiento muy complejo. Si la potencia del láser es suficientemente alta se pueden formar varios hilos en posiciones aleatorias que avanzan en paralelo. Cuando solo hay uno, a veces parece un hilo continuo y otras veces parece aparecer y desaparecer intermitentemente a lo largo de su camino. En su avance, puede aparecer y desaparecer de un modo periódico o de un modo desordenado e impredecible, dependiendo de las condiciones precisas de su generación.

Aspecto del atractor caótico que muestra la intensidad luminosa y su variación a medida que avanza el filamento. / Miguel Ángel Porras, Carlos Ruiz-Jiménez, Juan Carlos Losada.

Aspecto del atractor caótico que muestra la intensidad luminosa
y su variación a medida que avanza el filamento. / Miguel Ángel Porras, Carlos Ruiz-Jiménez, Juan Carlos Losada.

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Comprender el comportamiento de los filamentos es fundamental para optimizar sus aplicaciones. Hoy en día se utilizan rutinariamente para cortar con gran precisión y para grabar micro y nanoestructuras en el volumen de sólidos, por ejemplo guías para otras ondas luminosas. Además, se ha demostrado que estos filamentos de luz pueden desencadenar y canalizar descargas eléctricas en tormentas, controlando así el momento y lugar en que los rayos se producen. Se utilizan asimismo como sensores remotos de componentes y contaminantes atmosféricos, por ejemplo, aerosoles u ozono. Los filamentos en sí generan a su alrededor radiación de teraherzios que es utilizada en medicina, y su interacción con ciertas moléculas puede producir rayos X.

Comprender el comportamiento de los filamentos es fundamental para optimizar sus aplicaciones

Con este trabajo, los investigadores de la UPM han conseguido explicar los diferentes comportamientos de los filamentos de un modo unificado. El equilibrio dinámico que tiene lugar en el filamento de luz ocurre alrededor de un atractor, que los investigadores han identificado con un haz de Bessel no lineal. El comportamiento ordenado o desordenado del filamento depende de las propiedades de este atractor. Cuando es un atractor caótico, como el atractor con forma de mariposa de Lorenz, el filamento muestra la intermitencia desordenada a lo largo de su camino y cualquier fluctuación en las condiciones de generación -como fluctuaciones de la potencia del láser- hace imposible predecir donde aparecerá o desaparecerá. Esta nueva comprensión del fenómeno desde la perspectiva de los sistemas complejos y la teoría del caos fomentará nuevas investigaciones para mejorar el control de los filamentos de luz y sus aplicaciones.

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Referencia:

MIGUEL A. PORRAS, CARLOS RUIZ-JIMÉNEZ, JUAN CARLOS LOSADA. “Underlying conservation and stability laws in nonlinear propagation of axicon-generated Bessel beams”. Physical Review A 92, 063826 (2015).

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