Лазерный мир

Немногие знают, что разгонять частицы можно не только на ускорителе, но и с помощью лазера. Правда, для проведения таких экспериментов нужны мощные, петаваттные, установки. Совершенствованием таких лазеров сегодня занимаются в разных странах. Значительных успехов на этой стезе достиг заведующий лабораторией пространственно-временного профилирования фемтосекундного лазерного излучения доктор физико-математических наук Сергей Миронов (на снимке) из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. Некоторые его исследования уникальны и находятся на переднем крае науки. Тема, которую он разрабатывает, – «Сокращение длительности и повышение временного контраста петаваттных лазерных импульсов» – поддержана грантом Президента России. О своих достижениях и планах молодой ученый рассказал «Поиску».

– Сергей, в чем особенность петаваттных лазеров?

– Приведу сравнение, которое прояснит многое: мощность лазерного импульса в 1 петаватт превышает суммарную мощность всех непрерывно работающих электростанций мира. Правда, в лазерном импульсе она локализована в очень коротком промежутке времени. С помощью таких импульсов исследуют поведение вещества в так называемых сверхсильных световых полях.

В области взаимодействия света с веществом возникает рентгеновское и гамма-излучение, а также рождаются и ускоряются пучки заряженных частиц (электроны, протоны и более тяжелые ионы). Сверхсильные поля в лаборатории сегодня можно получить только с помощью петаваттных лазеров. Для этого лазерный пучок фокусируют в очень маленькое пятно, в 50-100 раз меньшее диаметра человеческого волоса. Это пятно совмещают с исследуемым объектом, например газовой струей, золотой фольгой, наноструктурированной мишенью. Но фокусировка лазерного излучения в точку – финальная стадия экспериментов. Перед этим со световым импульсом происходит много интересных событий, которые зависят от устройства лазера.

– Чем отличается ускорение частиц с помощью лазера от подобного процесса в традиционных ускорителях?

– Энергии генерируемых при взаимодействии света с веществом частиц соизмеримы, а в некоторых случаях и превышают значения, достигаемые в традиционных линейных и кольцевых ускорителях. Из других достоинств – компактность и относительно невысокая стоимость. Петаваттный лазер, совмещенный с мишенной камерой, может располагаться в помещении 20 на 20 метров. Его с сопутствующим оборудованием можно размещать даже в обычных медицинских центрах. А ускоренные протонные пучки – применять для терапии онкологических заболеваний. Современные традиционные ускорители, как известно, требуют гораздо больших площадей – сотни и даже тысячи квадратных метров.

– Где еще применяют такие лазеры?

– При моделировании астрофизических явлений в лаборатории. Например, в Институте прикладной физики РАН исследовали процессы распространения созданной лазером плазмы поперек магнитного поля. Такие процессы диффузии, то есть проникновения, характерны для околоземного пространства. Для экспериментального моделирования использовали достаточно длинные лазерные импульсы, но с большой энергией. В будущем, когда напряженности полей в сфокусированной точке возрастут, сверхмощные лазеры станут незаменимыми в изучении эффектов нелинейной квантовой электродинамики, например нелинейности вакуума и процессов рождения в вакууме электрон-позитронных пар.

– Что такое «временной контраст» лазерных импульсов и зачем его нужно повышать?

– В лазерной физике временной контраст – это отношение интенсивности в пике импульса к интенсивности на его «крыльях». Одно значение делится на другое и получается функция контраста. Контраст – безразмерная величина. Чем она выше, тем шире спектр задач, для которых может использоваться лазер.

Величина контраста зависит от положения вдоль импульса. В пике импульса она равна единице и, как правило, растет по мере удаления от него. Условно выделяют область ближнего (примерно 1 пикосекунда от основного пика импульса) и дальнего (более 1 пикосекунды) контраста. Эти величины определяются методами генерации и усиления лазерного излучения, а также согласованностью работы стретчера (растягивателя) и компрессора (сжимателя) лазерного комплекса.

В экспериментах нужный уровень контраста определяется в первую очередь типом мишени и порогом образования в ней плазмы. Важно сохранить мишень до прихода основного импульса. Для лазерно-плазменных экспериментов излучение должно быть с крайне высоким дальним временным контрастом – не меньше чем 10 миллиардов, а лучше еще выше.

Есть разные методы повышения временного контраста. Одни основаны на применении плазменных зеркал, у которых коэффициент отражения света зависит от уровня интенсивности. Другие используют нелинейно-оптические процессы генерации волны ортогональной поляризации и удвоения частоты.

– Вы сокращаете длительность лазерных импульсов. Зачем это нужно и есть ли в этом какой-то предел?

– Рост пиковой интенсивности в фокальной области можно создать разными способами: увеличивая энергию, укорачивая длительность и повышая качество фокусировки пучка. Эти направления могут использоваться по отдельности, все вместе или в различных комбинациях друг с другом. Роста энергии в импульсе можно достичь за счет использования дополнительных лазерных усилителей (активных сред и средств оптической накачки), но это требует больших финансовых расходов на модернизацию лазера. Есть и технологические ограничения.

Лазерный импульс представляет собой излучение – набор электромагнитных волн. Минимально возможная его длительность – это примерно один период колебания световой волны. Для лазеров ближнего инфракрасного диапазона это единицы фемтосекунд (напомню, что фемтосекунда – 10 в минус 15 степени секунды). Это и есть тот самый минимум, к которому нужно стремиться.

– Как можно сократить длительность импульса?

– Минимальная длительность импульса определяется шириной его спектра (набором частот). Чем шире спектр, тем короче импульс можно получить в экспериментах. Спектр импульса можно уширить в оптически прозрачных средах с кубической нелинейностью. Например, за счет распространения мощного излучения через тонкие, порядка 1 миллиметра, плоскопараллельные пластины, изготовленные из плавленого кварца, полимеров или оптических стекол. Но размещаемые на пути сильного излучения оптические элементы портят характеристики импульса. Пластины не исключение. При распространении через них параметры импульсов изменяются: уширяется спектр, модулируется спектральная фаза, увеличивается длительность и, как следствие, снижается пиковая мощность. Если пластина слишком толстая, то лазерное излучение превращается в белый свет и дальнейшее его использование в экспериментах по взаимодействию невозможно. Поэтому толщина пластины должна быть достаточной для уширения спектра и в то же время не приводить к разрушению лазерного пучка.

– Что вы сделали в этом направлении и как ваши результаты смотрятся по сравнению с другими мировыми достижениями?

– Подход к сокращению длительности, о котором я рассказал, получил название метода нелинейного сжатия и был апробирован с моим участием в экспериментах на лазерах ALLS (Advanced Laser Light Source, Монреаль, Канада), CETAL (Румыния), ELFIE (Ecole Polytechnique, Франция). Однако полномасштабные эксперименты проводились только в Институте прикладной физики РАН, на лазере PEARL, где мы продемонстрировали пятикратное сокращение длительности субпетаваттных лазерных импульсов.

Важно отметить, что такой подход можно использовать многократно и в итоге сжать лазерный импульс до длительности в один период осцилляций светового поля, то есть до своего минимального предела. Создание малопериодных импульсов с пиковой мощностью порядка 1 петаватта – пока еще не решенная фундаментальная проблема. Справиться с этой задачей необходимо для развития физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Тот, кто сумеет сделать это экспериментально, станет абсолютным и признанным лидером направления. Для того чтобы добиться успеха, необходимо соответствующее оборудование для диагностики параметров столь коротких импульсов, а также широкополосные большеапертурные корректоры спектральной фазы – дисперсионные зеркала с уникальными характеристиками. Мне неизвестны российские производители таких зеркал.

– Как можно преодолеть эти трудности?

– Некоторые свои идеи я изложил в заявке, поддержанной Советом по грантам Президента России. В частности, в методе нелинейного сокращения длительности импульсов предлагаю пути коррекции фазы спектра без использования многослойных дисперсионных диэлектрических зеркал. Дело в том, что зеркала – слабое звено в этой схеме из-за технологических трудностей, связанных с их изготовлением, а также высокой стоимости. Для увеличения временного контраста предлагаю проанализировать работу интерферометра Маха – Цендера в нелинейном режиме. Возникающие в его элементах нелинейные эффекты позволяют использовать схему интерферометра для увеличения временного контраста.

Более того, коррекция фазы спектра непосредственно после интерферометра позволит дополнительно сократить длительность. В этом случае одновременно увеличатся и временной контраст, и пиковая мощность. Надеюсь, что успешное выполнение проекта позволит нам приблизиться к решению фундаментальных проблем лазерной физики.

Фирюза Янчилина

Источник: https://poisknews.ru/themes/physics/sygrat-na-kontraste-sovershenstvovanie-lazerov-priblizit-k-razgadkam-tajn-materii/