В Томске создали рекордно яркий лазер видимого диапазона
Российские физики из Института сильноточной электроники СО РАН в Томске добились генерации импульсов лазерного излучения с мощностью в 40 тераватт — это рекорд для источников света видимого диапазона. Достижение стало возможным благодаря использованию гибридной схемы установки и усилению второй гармоники излучения, сообщает издание «Наука в Сибири».
Лазеры — это квантовые источники света, которые характеризуется высокой временной и пространственной согласованностью порождаемых электромагнитных колебаний. Такие устройства нашли массу применений как в лабораториях, так и в бытовых приборах. Одно из современных направлений в области физики лазеров — это получение как можно более интенсивных световых полей, что может пригодиться в ряде экспериментов, таких как исследование структуры материалов и биологических тканей, ускорение элементарных частиц, исследование динамики химических реакций и многое другое.
На данный момент физики придумали огромное количество разных конструкций лазеров и различных способов увеличения мощности их излучения. Как правило, рабочей средой наиболее мощных лазеров выбираются твердотельные кристаллы, в первую очередь кристаллы сапфира с примесью ионов титана, а увеличение интенсивности происходит методом усиления чирпированных импульсов. Так работают многие из рекордно мощных лазеров, в том числе китайские установки SULF и CAEP-PW, которые генерируют излучение ближнего инфракрасного диапазона с мощностью в несколько петаватт.
Томские физики завершили новый этап улучшения лазерной системы THL-100 (Terawatt Hybrid Laser), с помощью которой пытаются получить импульсы видимого диапазона с мощностью около 100 тераватт. Первый вариант установки с мощностью в единицы тераватт был построен в 2008 году, в 2012 удалось достичь 14 тераватт, что стало рекордным значением для того времени. Новая модернизация позволила повысить показатель до рекордных 40 тераватт.
Система THL-100 состоит из двух основных компонентов: твердотельного титан-сапфирового лазера и газового фотодиссоционного усилителя. Основная длина волны лазера приходится на ближний инфракрасный диапазон, но данная установка генерирует вторую гармонику с длиной волны 475 нанометров. Усилитель работает за счет облучения полости с фторидом ксенона XeF2 мощным ультрафиолетовым излучением вакуумного диапазона, который, в свою очередь, возникает при пропускании мощного электрического импульса через чистый ксенон. В результате воздействия фотонов XeF2 диссоциирует до эксимерных молекул XeF, которые после столкновения с молекулами буферного газа (азотом N2) попадают в необходимое состояние лазерного перехода.
Новое достижение стало результатом применения нескольких усовершенствований. В частности, была увеличена суммарная энергия выходных импульсов с 0,7 до 1,2 джоулей, а продолжительность при этом была сокращена с 50 до 30 фемтосекунд посредством использования схемы «растяжение—усиление—сжатие». Также были улучшены другие характеристики лазера, такие как однородность пучка.
«Уникальным в такой системе является именно выходной лазерный усилитель, — рассказывает заведующий лабораторией газовых лазеров ИСЭ СО РАН доктор физико-математических наук Валерий Лосев. — Для усиления сверхкоротких импульсов излучения используется особый широкополосный лазерный переход C-A эксимерных молекул ксенон-фтор. Накачка активной среды двухступенчатая: сначала сильноточным электронным пучком возбуждается чистый ксенон, а затем получающимся жестким ультрафиолетовым излучением осуществляется фотонакачка рабочей смеси. На выходе системы — голубой свет».
Осенью в России завершили монтаж камеры для эксперимента с самыми энергетичными лазерными импульсами. Также в прошлом году впервые был продемонстрирован лазер на органическом диоде с прямой накачкой током.
Тимур Кешелава
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.