Плазменные зонные пластинки помогут сфокусировать интенсивный свет
Американские физики предложили способ фокусировки сверхинтенсивных лазерных пучков с помощью голографических зонных пластинок, формируемых из плазмы. Они описали два возможных подхода к этой проблеме и показали, что в такие оптические элементы смогут выдержать интенсивность света, равную 1017 ватт на квадратный сантиметр. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Одним из направлений развития лазерной оптики стал рост интенсивности лазерного света. Мощный световой поток позволяет изучать физику атомов и молекул в экстремальных условиях, а также разгонять частицы, что рассматривается физиками в качестве альтернативы традиционным ускорителям. Но самой заветной целью этого направления оптики стало достижение критического предела по интенсивности света, при которой станет возможным рождение электрон-позитронных пар прямо из вакуума. Сравнительно недавно корейские экспериментаторы вплотную приблизились к этому пределу, достигнув интенсивности 1023 ватт на квадратный сантиметр.
Впрочем, рекордные интенсивности, которые получают физики, достигаются лишь при фокусировке более слабых пучков в одно пятно. Передача света в сверхинтенсивном режиме на какое-либо расстояние затруднено тем, что мы пока не умеем направлять и фокусировать такие пучки. Традиционная оптика для этого не подходит, поскольку мощный свет моментально разрушит линзы и зеркала из твердых материалов. И здесь на помощь может прийти плазма. Ее показатель преломления можно сделать меньше, чем у газа, из которого она создается, а поскольку это уже ионизованная материя, плазма может выдержать гораздо большие интенсивности, чем твердотельная оптика.
Сегодня физики уже имеют плазменные аналоги зеркал, дифракционных решеток, фотонных кристаллов, волновых пластинок и многого другого, создавая их голографическими методами в газах. Но, несмотря на достигнутый прогресс, все еще нет хорошего решения для простой фокусировки интенсивных лучей. Существующие сегодня плазменные зеркала и параболические концентраторы выдерживают лишь 1012 ватт на квадратный сантиметр и не подходят для опытов с большим числом повторений.
Мэтью Эдвардс (Matthew Edwards) из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами из США предложил решить проблему фокусировки интенсивных лазерных пучков с помощью голографических плазменных зонных пластинок. Физики рассмотрели два механизма формирования дифракционной линзы и показали, что такой оптический элемент сможет выдержать интенсивность фокусируемого луча, равную 1017 ватт на квадратный сантиметр.
Зонная пластинка — это оптический элемент для фокусировки света, который использует для этого явление дифракции (дифракционная линза). Этим она отличается от обычной линзы, которая использует рефракцию, или собирающего зеркала, которое отражает свет. Действие зонной пластинки основано на разделении сферического волнового фронта на систему концентрических колец (зон Френеля), и погашении половины из них (либо смещение их фазы на π). Радиусы колец выбираются таким образом, чтобы обеспечить конструктивную интерференцию света в определенных точках на оптической оси.
Чтобы создать аналогичную плазменную структуру, физики предложили совместить излучение от двух коллинеарных лазеров равной мощности, сфокусированных в различные точки оптической оси. В области, где оба световых конуса пересекутся, интенсивность излучения из-за интерференции будет зависеть от радиуса по закону, аналогичному тому, каким описываются зоны Френеля.
Это можно использовать двумя путями. Один из механизмов — это пространственно распределенная ионизация. Она возникнет, если в области пересечения поместить газ. В этом случае в максимуме интерференции возникнет плазма, чей показатель преломления будет примерно на одну сотую меньше, чем у газа, оставшегося нетронутым в областях минимума. Другой путь — это облучение равномерной плазмы. Пучности интенсивности будут выталкивать электроны в области минимумов интерференции за счет пондеромоторных сил, и те потянут за собой оставшиеся ионы. В результате плазма окажется модулированной по плотности, что даст нужный оптический эффект.
Физики качественно исследовали эффективность этого процесса с помощью теории зонной пластики и пришли к выводу, что для нужд фокусировки лучше будут подходить толстые дифракционные линзы, чем тонкие, поскольку в последних энергия распределяется на несколько разных фокусов. Для подробных симуляций они использовали алгоритм для решения уравнения на огибающую волны с учетом нелинейных эффектов, а также метод частиц в ячейках. Симуляция линзы с модулированной ионизацией диаметром 170 микрометров и толщиной 2 миллиметра, сформированной в азоте двумя 10-фемтосекундными импульсами с энергиями 0,65 миллиджоуль, показала, что она способна сфокусировать пикосекундный импульс с энергией 60 миллиджоуль, пришедший через 0,8 пикосекунд после ее формирования. Для симуляции пондеромоторной зонной пластинки физики описали пересечение двух полпикосекундных импульсов мощностью 15 тераватт. В этих расчетах фокусировался импульс мощностью 100 тераватт, отстающий на 1,2 пикосекунду.
Во втором случае линза продолжила образовываться даже после выключения импульсов накачки. Это связано с инерцией ионов. Это же свойство подарило такой линзе большую устойчивость. Если зонная пластинка на основе пространственной модуляции ионизации сохранила 65-процентную эффективность фокусировки при 1014 ватт на квадратный сантиметр, то для пондеромоторного механизма эта величина составила 1017 ватт на квадратный сантиметр.
Мощный лазерный свет не только разрушает среду, в которой движется, но и сам искажается и рассеивается. Ранее детали этого процесса, происходящего в водной среде, изучили немецкие физики.
Марат Хамадеев
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».
