Плазменные голограммы-«вилки» закрутят свет сверхмощных лазеров

Моделирование «закручивания» света суперинтенсивных лазеров на плазменных дифракционных решетках-«вилках»

A. Leblanc et al. / Nature Physics, 2017

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, опубликована в Nature Physics, вторая часть, описывающая его взаимодействие с облаком плазмы, опубликована в Physical Review Letters.

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.

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 не только 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 нее напрямую 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.

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).

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.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.