Плазменные голограммы-«вилки» закрутят свет сверхмощных лазеров

Плазменные голограммы-«вилки» закрутят свет сверхмощных лазеров

Новости науки и техники Комментариев к записи Плазменные голограммы-«вилки» закрутят свет сверхмощных лазеров нет

Физики из Университета Парижа предложили новый тип оптики для лазеров сверхвысокой интенсивности — голографические плазменные дифракционные решетки. Это необходимо, поскольку привычные нам оптические приборы — дифракционные решетки, линзы и зеркала — не выдерживают интенсивностей сверхмощных лазеров и разрушаются, попросту испаряясь. С помощью новых плазменных решеток авторам удалось получить пучок закрученного света с мощностью в несколько тераватт. Он может найти применение в разработке компактных ускорителей частиц. Первая часть исследования, посвященная созданию закрученного излучения, опубликованав Nature Physics, вторая часть, описывающая его взаимодействие с облаком плазмы, опубликована в Physical Review Letters.

Interaction of Ultraintense Laser Vortices with Plasma Mirrors

Laser beams carrying orbital angular momentum (OAM) have found major applications in a variety of scientific fields, and their potential for ultrahigh-intensity laser-matter interactions has since recently been considered theoretically. We present an experiment where such beams interact with plasma mirrors up to laser intensities such that the motion of electrons in the laser field is relativistic. By measuring the spatial intensity and phase profiles of the high-order harmonics generated in the reflected beam, we obtain evidence for the helical wavefronts of the high-intensity laser at focus, and study the conservation of OAM in highly nonlinear optical processes at extreme laser intensities. The physical effects determining the field mode content of the twisted harmonic beams are elucidated.

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.033902

Мощность импульсов современных лазеров достигает петаваттных (1015 ватт) значений — в 350 раз больше чем средняя суммарная мощность всех электростанций мира. Однако более важной характеристикой является интенсивность лазерных лучей — удельная мощность. Она показывает, насколько луч сфокусирован. Рекордные интенсивности, достигнутые на сегодняшний день, эквивалентны фокусировке всего падающего на Землю света от Солнца на острие карандаша (1022 ватт на квадратный сантиметр). Такие мощности, за счет частичного поглощения излучения, приводят к абляции и испарению привычных материалов, за счет чего их оптические свойства (например, способность отражать) искажаются.

Решить эту проблему можно используя плазменные зеркала. Устроены они следующим образом. Перед импульсом суперинтенсивного лазера поверхность металлической пластины облучается другим мощным лазером. Он ионизирует и испаряет металл на поверхности пластины, формируя плотное облако заряженных частиц — в первые пикосекунды после импульса плотность этого облака сопоставима с плотностью обычного твердого тела. Пока облако еще не рассеялось, следует импульс основного лазера — он отражается от плазменного облака.

Схема создания плазменных голографических дифракционных решеток. На первой стадии происходит генерация облака плазмы по форме интерференционной картины. Затем плазма расширяется. На третьем этапе происходит считывание голограммы суперинтенсивным лазерным пучком. A. Leblanc et al. / Nature Physics, 2017

Авторы новой работы создали более сложный прибор, способный превращать обычный луч света в закрученный — плазменную дифракционную решетку, основанную на принципе голографии. Традиционная оптическая голография используется для того, чтобы записывать полную информацию об поле света, отраженного от некоего объекта. В голограмме записывается нетолько интенсивность (как в фотографии), но и фаза приходящего пучка. Как правило, для этого используется пара когерентных лазерных лучей. Один из них отражается от объекта на фоточувствительную пластинку. Другой, опорный, попадает на не енапрямую и интерферирует с первым, записывая информацию о разности фаз. Для того чтобы прочитать голограмму, достаточно просто осветить ее лазером с такой же длиной волны, как у опорного луча.

Дифракционные картины (справа) лазерного пучка на плазменных облаках (слева). A. Leblanc et al. / Nature Physics, 2017

Точно такой же принцип использовали авторы для создания плазменных голограмм дифракционных решеток. Источником ионизирующего и генерирующего плазму излучения в эксперименте стал не просто лазерный луч, а сложная интерференционная картина от опорного лазерного луча и закрученного лазерного луча высокой интенсивности (но меньшей, чем основной лазер).

Закрученным называется свет, волновой фронт которого выглядит как спираль. Этот свет обладает необычными свойствами. Во-первых,из-за такой формы фронта луч закрученного света выглядит на экране полым. Во-вторых, он несет в себе угловой момент и посветив таким лучом на достаточно легкую бусину можно заставить ее вращаться. Самый простой способ получить такой свет — пропустить лазерный луч через спиральную фазовую пластинку. Для радиоволн, например, такая пластинка может выглядеть как спутниковая тарелка, разрезанная по радиусу и скрученная спиралью.

Интерференционная картина от сложения закрученного и обычного лазерного луча напоминает своей формой вилку — среди параллельных полос в центре наблюдается «дефект» и одна из них разветвляется на две. Точно так же было устроено облако плазмы, поднимавшееся после облучения ею металлизированной пластинки.

Физики выстроили эксперимент так, что задержка между импульсом, генерирующим плазменную дифракционную решетку, и основным лазерным лучом составляла 2–5 пикосекунд — триллионных долей секунды. За это время атомы металла успевали ионизироваться и превратиться в плазму (ионизация занимает миллионные доли пикосекунды), но их смещения от изначального положения не превосходили нескольких десятков нанометров (на порядок меньше длины волны используемого лазера).

Эволюция дифракционной картины с развитием плазменного облака. A. Leblanc et al. / Nature Physics, 2017

Максимальная интенсивность импульса основного лазерного луча достигала 30 000 петаватт на квадратный сантиметр. Длительность импульса —25 фемтосекунд (тысячных долей пикосекунды), суммарная мощность — 0,1 петаватт, длина волны 800 нанометров. Его взаимодействие с плазмой можно сравнить с процессом «чтения» голограммы. Свет отражался от плазменных полос, и, в результате дифракции, возникали дополнительные закрученные пучки света — их оптические свойства повторяли свойства объектного луча. Их суммарная интенсивность составляла несколько процентов от общей интенсивности пучка.

Затем ученые проследили за взаимодействием закрученных инфракрасных суперинтенсивных пучков с плазменными зеркалами. Оказалось, что действие пучков на плазму приводит к возникновению вторичного излучения — закрученного жесткого ультрафиолета. Кроме того, закрученный свет вызывает в плазме волны зарядовой плазмы в форме бублика. По словам авторов, они могут найти применение в ускорении позитронов в компактных ускорителях.

Необычные оптические приборы требуются не только для сверхинтенсивного излучения. Ультрафиолетовая и рентгеновская оптика тоже сильно отличается от привычных нам линз. Коротковолновое излучение сильно поглощается и рассеивается существующими материалами, а его коэффициент преломления в них близок к единице. Поэтому рентгеновскую линзу трудно построить на основе преломления света. Вместо этого, в ряде случаев, физики используют пучок волноводов, в которых излучение многократно отражается и выходит под определенным углом.

Ранее физики-теоретики предложили использовать сверхмощные инфракрасные лазеры для генерации гамма-лучей. По расчетам ученых, для этого достаточно направить сфокусированный луч на мишень из пластика. Мощность генерируемого гамма-пучка может достигать тераватт для петаваттного инициирующего пучка.

Источник: http://www.nanonewsnet.ru/news/2017/plazmennye-gologrammy-vilki-zakrutyat-svet-sverkhmoshchnykh-lazerov

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top