Лазерный мир

Американские физики разработали метод управляемого смещения фокуса лазерного луча с помощью хроматической аберрации. Использование лазерного импульса с изменяющейся длиной волны и дифракционной линзы позволяет контролируемо сдвигать положение фокуса со скоростью, почти в 40 раз превосходящую скорость света, пишут ученые в Nature Photonics.

Spatiotemporal control of laser intensity

The controlled coupling of a laser to plasma has the potential to address grand scientific challenges, but many applications have limited flexibility and poor control over the laser focal volume. Here, we present an advanced focusing scheme called a ‘flying focus’, where a chromatic focusing system combined with chirped laser pulses enables a small-diameter laser focus to propagate nearly 100 times its Rayleigh length. Furthermore, the speed at which the focus moves (and hence the peak intensity) is decoupled from the group velocity of the laser. It can co- or counter-propagate along the laser axis at any velocity.
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0121-8

Сфокусированные сверхмощные лазеры уже сейчас используются в качестве источника электрического и магнитного полей, достаточных для излучения электронами гамма-фотонов. Многие считают, что мощности современных лазерных установок в ближайшее время хватит и для исследования фундаментальных свойств электрон-позитронной плазмы, для образования которой из квантов света требуются еще более сильные поля. При этом одной из проблем при фокусировке лазерных пучков считается слабый контроль положения и размера фокального пятна. Этими параметрами можно управлять за счет изменения радиуса лазерного пучка и фокусного расстояния, что удается делать для излучений небольшой мощности, но крайне затруднительно для мощности в сотни тераватт.

Американские физики из Рочестерского университета под руководством Дастина Фрулы (Dustin H. Froula) предложили способ контролируемого смещения фокуса лазерного пучка со скоростями, близкими к скорости света, с помощью управления хроматической аберрацией. Для этого ученые использовали очень короткий лазерный импульс длительностью от 14 до 65 пикосекунд, в котором длина волны изменялась с течением времени примерно на 9 нанометров (среднее значение — 1054 нанометра). Для фокусировки использовалась дифракционная линза с бороздками, ширина которых уменьшалась от центра к краю. При таком подходе, поскольку из-за хроматической аберрации разные длины волн фокусируются на разном расстоянии от линзы, за время импульса положение фокуса смещается.

Принципиальная схема эффекта смещения фокуса для лазера с изменяющейся длиной волны
D. H. Froula et al./ Nature Photonics, 2018

Это приводит к тому, что с течением времени меняется и пространственное распределение интенсивности излучения. В проведенном эксперименте физики записали, как картина интенсивности излучения после прохождения линзы меняется с течением времени и рассчитали среднее смещение фокуса для различных параметров начального импульса. Исследователи отмечают, что такой эксперимент стал возможен только с появлением необходимых дифракционных линз, которых в мире всего несколько штук, и возможности записывать сигнал с частотой в сотни гигагерц.
Оказалось, что в использованной учеными конфигурации изменение длины волны на 9 нанометров приводит к смещению фокусного расстояния на 4,5 миллиметра. При этом если длина волны в течение импульса увеличивается, то положение фокуса смещается вперед, а если уменьшается, то назад. Интересно, что в зависимости от длительности импульса, скорость смещения фокуса может быть как меньше скорости света, так и больше: для самых длинных импульсов она составляла примерно 0,1c, а для самых коротких — примерно 39c.

Динамика картины интенсивности и смещение фокуса с течением времени при положительном изменении длины волны начального импульса
D. H. Froula et al./ Nature Photonics, 2018

В связи со смещением фокуса меняется и положение пика максимальной интенсивности, что ученым удалось не только измерить экспериментально, но и подтвердить с помощью численных расчетов. По словам авторов работы, такое контролируемое смещение фокуса можно использовать для ускорения фотонов или смягчения возникающей в лазерном пучке дефазировки.
Фокусировка коротких мощных лазерных импульсов — один из важных инструментов для исследовании квантовых эффектов при взаимодействии элементарных частиц с сильными внешними полями. Например, недавно российские ученые показали, что в фокусе сверхмощного лазера может проходить лавинообразное рождения электронов и позитронов, которое приводит к возникновению плазмы рекордно высокой плотности. А с помощью фокусировки лазерных импульсов на струях газа удалось изучить процесс торможения электронов, сопровождающийся излучением высокоэнергетических гамма-квантов.

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/03/13/flying-focus