derecha|miniaturadeimagen|332x332px| Vista de la bahía láser de Nova entre dos bancos de líneas de luz. Las cajas azules contienen los amplificadores y sus "bombas" de tubo de flash, los tubos entre los bancos de amplificadores son los filtros espaciales. Nova fue un láser de alta potencia construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California, Estados Unidos, en 1984 que llevó a cabo experimentos avanzados de fusión por confinamiento inercial (ICF) hasta su desmantelamiento en 1999. Nova fue el primer experimento ICF construido con la intención de llegar a la "ignición", una reacción en cadena de fusión nuclear que libera una gran cantidad de energía. Aunque Nova fracasó en este objetivo, los datos que generó definieron claramente que el problema se debía sobre todo a la inestabilidad Rayleigh-Taylor, lo que condujo al diseño de la Instalación Nacional de Ignición, sucesora de Nova. Nova también generó cantidades considerables de datos sobre la física de la materia de alta densidad, independientemente de la falta de ignición, que son útiles tanto en la investigación de las armas nucleares como en la de la energía de fusión.

Antecedentes Los dispositivos de fusión por confinamiento inercial (ICF, por sus siglas en inglés) utilizan impulsores para calentar rápidamente las capas externas de un blanco con el fin de comprimirlo. El blanco es una pequeña pastilla esférica que contiene unos miligramos de combustible de fusión, normalmente una mezcla de deuterio y tritio. El calor del láser de conducción quema la superficie de la pastilla hasta convertirla en plasma, que explota fuera de la superficie. La parte restante del blanco es impulsada hacia el interior debido a la Tercera Ley de Newton, colapsando finalmente en un pequeño punto de muy alta densidad.

La rápida expulsión también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido. Cuando llega al centro del combustible y se encuentra con el choque procedente del otro lado del blanco, la energía de la onda de choque calienta y comprime aún más el pequeño volumen a su alrededor. Si la temperatura y la densidad de ese pequeño punto pueden elevarse lo suficiente, se producirán reacciones de fusión en una pequeña porción del combustible

Las reacciones de fusión liberan partículas de alta energía, algunas de las cuales (principalmente partículas alfa) chocan con el combustible de alta densidad que queda a su alrededor y se ralentizan. Esto calienta el combustible y puede provocar su fusión. Si las condiciones generales del combustible comprimido son las adecuadas (densidad y temperatura suficientes), este proceso de calentamiento puede dar lugar a una reacción en cadena que queme el combustible desde el centro donde la onda de choque inició la reacción. Se trata de una condición conocida como ignición, que puede provocar la fusión de una parte significativa del combustible del blanco y la liberación de grandes cantidades de energía.

Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe suministrarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desintegre y crear una onda de choque adecuada. La energía también debe concentrarse de forma extremadamente uniforme en la superficie exterior del objetivo para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Aunque se han sugerido otros "impulsores", sobre todo iones pesados impulsados en aceleradores de partículas, los láseres son actualmente los únicos dispositivos con la combinación adecuada de características

Historia La historia de LLNL con el programa ICF comienza con el físico John Nuckolls, quien predijo en 1972 que la ignición podría lograrse con energías láser de alrededor de 1 kJ, mientras que la "alta ganancia" requeriría energías en torno a 1 MJ.Nuckolls et al., "Laser Compression of Matter to Super-High Densities: Thermonuclear (CTR) Applications", Nature Vol. 239, 1972, pp. 129John Lindl, "The Edward Teller Medal Lecture: The Evolution Toward Indirect Drive and Two Decades of Progress Toward ICF Ignition and Burn", 11th International Workshop on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, diciembre de 1994. Consultado el 7 de mayo de 2008. Aunque parezca una energía muy baja en comparación con las máquinas modernas, en aquel momento estaba justo por encima del estado de la técnica, y dio lugar a una serie de programas para producir láseres en este rango de potencia.

Antes de la construcción de Nova, el LLNL había diseñado y construido una serie de láseres cada vez mayores que exploraban los problemas del diseño básico del ICF. El LLNL estaba interesado principalmente en el láser de Nd:vidrio, que, en aquel momento, era uno de los pocos diseños de láser de alta energía conocidos. El LLNL había decidido desde el principio concentrarse en los láseres de vidrio, mientras que otras instalaciones estudiaban láseres de gas que utilizaban dióxido de carbono (por ejemplo, el láser Antares, Laboratorio Nacional de Los Álamos ) o KrF (p. ej. Láser Nike, Laboratorio de Investigaciones Navales). Hasta entonces no se había intentado construir grandes láseres de Nd:vidrio, y las primeras investigaciones del LLNL se centraron principalmente en cómo fabricar estos dispositivos.

Uno de los problemas era la homogeneidad de los haces. Incluso pequeñas variaciones en la intensidad de los haces provocaban un "autoenfoque" en el aire y la óptica de cristal en un proceso conocido como lente de Kerr. El haz resultante incluía pequeños "filamentos" de altísima intensidad luminosa, tan alta que dañaría la óptica de cristal del dispositivo. Este problema se resolvió en el láser Cyclops con la introducción de la técnica de filtrado espacial. A Cyclops le siguió el láser Argus, de mayor potencia, que exploró los problemas de controlar más de un haz e iluminar un objetivo de forma más uniforme."Building increasingly powerful lasers" , Year of Physics, 2005, Lawrence Livermore National Laboratory Todo este trabajo culminó en el láser Shiva, un diseño de prueba de concepto para un sistema de alta potencia que incluía 20 "amplificadores láser" independientes que se dirigían alrededor del objetivo para iluminarlo.J. A. Glaze, "Shiva: A 30 terawatt vidrio laser for fusion research", presented at the ANS Annual Meeting, San Diego, 18–23 de junio de 1978

Fue durante los experimentos con Shiva cuando apareció otro grave problema inesperado. Se descubrió que la luz infrarroja generada por los láseres Nd:vidrio interactuaba fuertemente con los electrones del plasma creado durante el calentamiento inicial a través del proceso de dispersión Raman estimulada. Este proceso, denominado "precalentamiento de electrones calientes", absorbió gran parte de la energía del láser y provocó el calentamiento del núcleo del blanco antes de que alcanzara su máxima compresión. Esto significaba que se depositaba mucha menos energía en el centro del colapso, tanto por la reducción de la energía de implosión como por la fuerza hacia el exterior del núcleo calentado. Aunque se sabía que las longitudes de onda más cortas reducirían este problema, antes se esperaba que las frecuencias IR utilizadas en Shiva fueran "suficientemente cortas". Pero no fue así."Empowering Light: Historical Accomplishments in Laser Research", Science & Technology Review, septiembre de 2002, pp. 20-29

Se buscó una solución a este problema en forma de multiplicadores de frecuencia eficaces, dispositivos ópticos que combinan varios fotones en uno de mayor energía y, por tanto, frecuencia. Estos dispositivos se introdujeron rápidamente y se probaron experimentalmente en el láser OMEGA y otros, demostrando su eficacia. Aunque el proceso sólo es eficaz en un 50% aproximadamente y se pierde la mitad de la potencia original del láser, la luz ultravioleta resultante se acopla de forma mucho más eficaz al plasma objetivo y es mucho más efectiva para colapsar el objetivo hasta una alta densidad.

Con estas soluciones en la mano, el LLNL decidió construir un dispositivo con la potencia necesaria para producir las condiciones de ignición. El diseño comenzó a finales de la década de 1970, y la construcción siguió poco después, empezando por el láser Novette de banco de pruebas para validar el diseño básico de la línea de luz y el multiplicador de frecuencia. Era una época de repetidas crisis energéticas en EE. UU. y no era difícil encontrar financiación dadas las grandes cantidades de dinero disponibles para la investigación de energías alternativas y armas nucleares.

Diseño derecha|miniaturadeimagen|300x300px| La cámara del objetivo láser Nova durante la alineación y la instalación inicial (hacia principios de la década de 1980). Algunos de los orificios de mayor diámetro albergan diversos dispositivos de medición, que están diseñados con un tamaño estándar para encajar en estos puertos, mientras que otros se utilizan como puertos de haz. Durante la fase inicial de construcción, Nuckolls encontró un error en sus cálculos, y una revisión de octubre de 1979 presidida por John Foster Jr. de TRW confirmó que no había forma de que Nova alcanzara la ignición. El diseño de Nova se modificó entonces en un diseño más pequeño que añadía conversión de frecuencia a luz de 351 nm, lo que aumentaría la eficacia del acoplamiento.Matthew McKinzie and Christopher Paine, "When Peer Review Fails", NDRC. Consultado el 7 de mayo de 2008. El "nuevo Nova" surgió como un sistema con diez amplificadores láser, o beamlines. Cada línea estaba formada por una serie de amplificadores Nd:vidrio separados por filtros espaciales y otras ópticas para limpiar los haces resultantes. Aunque ya en Shiva se conocían las técnicas para plegar las líneas de haces, en aquel momento no estaban bien desarrolladas. Nova terminó con un único pliegue en su disposición, y la bahía láser que contenía las líneas de haz tenía 91 m de largo. Para el observador casual, parece que contiene veinte líneas de luz de 91 m de longitud, pero debido al pliegue, cada una de las diez tiene en realidad casi 180 m de longitud óptica.Ted Perry, Bruce Remington, "Nova Laser Experiments and Stockpile Stewardship", Science & Technology Review, septiembre de 1997, pp. 5-13

Antes del disparo, los amplificadores Nd:vidrio se bombean con una serie de lámparas de flash de xenón que los rodean. Parte de la luz producida por las lámparas es capturada por el vidrio, lo que provoca una inversión de población que permite la amplificación mediante emisión estimulada. Este proceso es bastante ineficaz, y sólo entre el 1 y el 1,5% de la potencia suministrada a las lámparas se convierte realmente en energía láser. Para producir la potencia de láser necesaria para Nova, las lámparas tenían que ser muy grandes y alimentarse de un gran banco de condensadores situado bajo la bahía láser. El destello también genera una gran cantidad de calor que deforma el cristal, lo que requiere tiempo para que las lámparas y el cristal se enfríen antes de que puedan dispararse de nuevo. Esto limita Nova a un máximo de seis disparos al día.

Una vez bombeado y listo para el disparo, se introduce un pequeño pulso de luz láser en las líneas de haz. Cada uno de los discos de Nd:vidrio inyecta potencia adicional en el haz a medida que éste los atraviesa. Tras pasar por varios amplificadores, el pulso de luz se "limpia" en un filtro espacial antes de introducirse en otra serie de amplificadores. En cada etapa se utilizaban ópticas adicionales para aumentar el diámetro del haz y permitir el uso de discos amplificadores cada vez mayores. En total, Nova contaba con quince amplificadores y cinco filtros de tamaño creciente en las líneas de haz,Ted Perry, Bruce Remington, "Nova Laser Experiments and Stockpile Stewardship", Science & Technology Review, septiembre de 1997, pp. 5-13 con la opción de añadir un amplificador adicional en la última etapa, aunque no está claro si se utilizaron en la práctica.