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