Лазерный мир

Физик Алексей Желтиков о нелинейной оптике, явлении самофокусировки и лазерном зондировании атмосферы

Когда мы думаем о лазерном излучении, мы представляем себе прежде всего яркий луч. Это отражает действительность. Лазеры, в отличие от некогерентных источников излучения, таких как свет, идущий от Солнца, позволяют сформировать хорошо направленные, распространяющиеся в определенном направлении яркие лучи. Поэтому лазерные источники так хорошо приспособлены для оптической передачи информации, для передачи сигналов, для передачи энергии. Но есть фундаментальная трудность, фундаментальный предел, ограничивающий передачу информации, сигнала с помощью лазерного излучения. Этот фундаментальный предел связан с важным физическим явлением дифракции.

Рекомендуем по этой теме:
Лазерное охлаждение и захват атомов лития-7
Это фундаментальное явление, связанное с тем, что свет является волной: световое поле — это электромагнитное поле. Свет распространяется в виде волны. Всякий раз, когда есть пучок конечного размера (а все пучки неизбежно конечного размера, потому что наши источники конечного размера, зеркала и линзы конечного размера), всегда имеется конечное расстояние, на котором мы можем обнаружить, что размер нашего пучка увеличился. Так работает дифракция. Она сильно ограничивает дальность, на которую мы можем передавать сигнал. Если нас интересует передача больших световых интенсивностей, больших световых полей на большие расстояния, то мы обнаружим, что через некоторое расстояние интенсивность уменьшилась из-за того, что пучок увеличился, и, следовательно, энергия на единичную площадку уменьшилась. Если бы вся оптика была чисто линейной, если бы мы не могли с помощью света изменять свойства вещества, то на этом представление закончилось бы. Но так как есть область нелинейной оптики, та область, в которой благодаря большой интенсивности света изменяются оптические свойства вещества, то шоу продолжается.

Есть возможности обойти проблему и увеличить длину распространения лазерного излучения в виде хорошо коллимированного мощного лазерного пучка. Это явление было открыто в 1995 году при работе с мощными сверхкороткими лазерными импульсами, то есть при работе с лазерными источниками, которые формируют яркие и очень короткие вспышки света. Оказалось, что при превышении пиковой мощности лазерного источника определенного порога лазерный импульс сам формирует канал, распространяясь в атмосфере. При этом важно, что импульс должен быть мощный и короткий. Здесь важны два физических явления, и оба они называются нелинейно-оптическими явлениями, потому что происходят в сильных световых полях, тогда когда интенсивность светового поля оказывается достаточной, чтобы изменить параметры вещества — показатель преломления, поглощения.

Одно из этих явлений носит название самофокусировки. Оно было открыто на заре нелинейной оптики, около полувека назад. Это явление заключается в том, что световой пучок (лазерный пучок, потому что только лазерные пучки обладают достаточной интенсивностью для того, чтобы наблюдалось это явление) наводит линзу в материале, в котором он распространяется. Это универсальное явление, то есть под материалом можно понимать газовую среду, жидкость, твердое тело — во всех этих материалах может наблюдаться явление самофокусировки, то есть пучок сам формирует линзу, подправляя свою расходимость, линза фокусирует пучок. Некоторое время обсуждалось, что же происходит в фокусе, потому что, если написать идеализированные уравнения для этого случая, они дают катастрофическое схлопывание пучка. Но, конечно, в природе всегда есть какое-то явление, ограничивающее схлопывание пучка, и очень часто для коротких импульсов это связано с ионизацией атомов, молекул, которые образуют данное вещество. Например, в атмосфере это молекулы кислорода и азота (есть еще атомы аргона, но по большей части это молекулы кислорода и азота).

В результате ионизации оказывается возможным наблюдать важное явление дефокусировки пучка. Это происходит тогда, когда импульс, который распространяется в газе, жидкости или твердом теле, имеет достаточно короткую длительность. Тогда за время длительности импульса поперечный профиль распространения электронов не имеет времени, чтобы расплыться. Импульс видит как бы поперечный профиль, неоднородное распределение электронов по собственному сечению. Такое распределение электронов играет роль дефокусирующей линзы. Оказывается — этот факт был установлен в эксперименте, то есть чисто эмпирическим путем, а уже потом были построены сложные теории этого явления, — что явление дефокусировки за счет поперечного профиля электронов может приводить к достаточно точной компенсации линзы, возникающей благодаря явлению самофокусировки за счет оптической нелинейности нейтральной среды. В результате формируется длинный яркий канал, который получил название филамента.

Рекомендуем по этой теме:
Нелинейно-волновые оптические процессы
Короткий мощный импульс распространяется в режиме филаментации, в режиме самоканалирования. Оказывается, можно подобрать условия фокусировки лазерного пучка таким образом, что мы на больших расстояниях — на сотнях метров, сейчас речь идет даже о километрах — сможем зажечь такой филамент, доставить туда пучок, а затем этот филамент будет распространяться еще на много-много десятков метров, на сотни метров. Таким образом мы можем доставить высокую энергию лазерного излучения на большие расстояния. Мы можем использовать этот филамент, энергию лазерного излучения, для зондирования удаленных участков атмосферы, для зондирования удаленных поверхностей и получать сигнал назад без того, чтобы использовать какой-то зонд, световод, или без того, чтобы непосредственно облетать эту область исследования на вертолете — мы можем делать все с земли, посылая сигнал с наземного лазерного источника в область атмосферы, которая нас интересует.

Но теперь возникает новое ограничение: важным составляющим фактором явления филаментации является эффект самофокусировки, то есть явление филаментации наблюдается тогда, когда пиковая мощность лазерного излучения — лазерный импульс — оказывается выше порога самофокусировки (в терминах пиковой мощности формулируется порог самофокусировки). Но если мы захотим еще больше увеличить энергию, которую передаем в филаменте, у нас ничего не получится. Если пиковая мощность в пучке составит несколько порогов самофокусировки, то наш пучок окажется неустойчивым по отношению к распаду на мелкие филаменты, и окажется, что пучок состоит из множества мелких филаментов, он распался, потерял свою когерентность, потерял то, чем он нам был дорог. Лазерные пучки нам важны тем, что у разных участков пучка есть определенные фазовые соотношения и они воспроизводят друг друга в различных точках трассы. Теперь, когда пучок распадается на множественные филаменты, оказывается, что эта когерентность потеряна — это явно нежелательное явление, которого мы хотели избежать.

Чтобы повысить энергию в одном филаменте, необходимо увеличивать длину волны. Это связано с тем, что при увеличении длины, при изменении цвета нашего светового поля дифракция увеличивается, то есть световые волны с разными длинами волн имеют разную дифракционную расходимость: чем больше длина волны, тем больше такая расходимость. Для того чтобы компенсировать эту дифракцию за счет нелинейно-оптических явлений, требуется бо́льшая сила самофокусирующей линзы, то есть возможно передавать бо́льшие пиковые мощности. С другой стороны, это накладывает требование на лазерный источник: нам нужен лазерный источник на новой длине волны, в новом частотном диапазоне, и нам нужен достаточно мощный источник, то есть нам нужен источник мощности гораздо большей, чем тот, что мы имели для стандартных лазеров (а стандартные источники сверхкоротких импульсов работают на 800 нм).

В нашей лаборатории в Российском квантовом центре был создан уникальный источник лазерного излучения.

Центральная длина волны сверхкоротких импульсов, которые формируются в этом лазерном источнике, составляет 4 микрона. Это прямо на краю границы пропускания атмосферы: атмосфера полна молекул, которые поглощают лучи, — в частности, есть мощная линия поглощения углекислого газа, которая не дает распространяться излучению с длиной волны чуть больше 4,2 микрона. С излучением на 4 микронах мы находимся как раз на границе полосы области пропускания атмосферы. Нам удалось впервые сформировать очень короткие и очень мощные импульсы. Таких источников на данный момент больше нет в мире. Оказалось, что, формируя филамент в атмосфере, можно достичь условий, когда в атмосфере возникает лазерная генерация. Мы привыкли, что, чтобы построить лазер, необходимо создать сложную лабораторную систему, но оказывается, что если доставить в атмосферу достаточно мощный короткий импульс, то в самой атмосфере возникает лазер, возникает вынужденное излучение, распространяющееся как вперед, так и назад. Таким образом, в атмосфере впервые появляется возможность создать источник когерентного излучения, который может распространяться обратно по направлению к наземным источникам, который может служить для дистанционного зондирования атмосферы, в качестве искусственной звезды для калибровки астрофизических приборов, который позволит по-новому решать проблемы передачи оптических сигналов, передачи высоких энергий лазерного излучения и в значительной степени реализовать идею передачи энергии на большие расстояния с помощью новых лазерных технологий.

Источник: https://postnauka.ru/video/57638