Смесь атомов и света поможет сфокусировать лазер на световом парусе

Американские физики теоретически исследовали вопрос совместного распространения пучка атомов и пучка мощного лазерного излучения. Они показали, что в такой системе можно добиться взаимной коллимации пучков вплоть до нескольких десятков тысяч километров. Работа ученых может в будущем помочь фокусировать лазерный луч на световой парус, летящий далеко от Земли. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Большая часть экспериментальной физики опирается на работу с пучками частиц или света. Таким способом можно передавать материю или энергию на некоторые расстояния в сильно локализованном виде. Ограничительным фактором при этом выступает естественная расфокусировка лучей. Если в случае частиц это происходит из-за диффузии в системе центра масс, то свет расходится из-за неизбежной дифракции. Последнее, к примеру, оказывается преградой к работе космического солнечного паруса, разгоняемого лазером.

Физики активно ищут способы борьбы с расфокусировкой. Для удержания частиц перспективным выглядит использование света. Ученые уже научились применять оптические силы для удержания небольших частиц в лазерных пинцетах и ловушках. С другой стороны, свет тоже можно удерживать сколлимированным за счет нелинейного эффекта самофокусировки, когда показатель преломления среды, в которой он распространяется, различен в разных точках лучевого профиля. Из этого вытекает естественная идея о том, что при правильном подборе параметров пучки света и частиц могут защищать друг друга от расхождения. Признаки того, что это возможно, были обнаружены физиками для изначально сходящихся пучков, однако обоюдную самофокусировку изначально расходящихся частиц и света пока никто не исследовал.

Андрес Кастильо (Andres Castillo) из Стэнфордского университета со своими американскими коллегами провели осесимметричное моделирование совместного распространения частиц и света, чтобы изучить эффективность этого подхода. Они выбирали параметры симуляции таким образом, чтобы продемонстрировать его применимость для технологии лазерного разгона солнечного паруса. В результате им удалось найти оптимальную конфигурацию, в которой свет и частицы удерживаются существенно лучше, чем в случае естественного распространения.

Для этого авторы использовали осесимметричное параксиальное уравнение Гельмгольца для электрического поля световой волны, полученное из уравнений Максвелла в пренебрежении поперечными компонентами распространения света, а также медленно меняющейся огибающей. Уравнение включает в себя показатель преломления, выраженный через диэлектрическую восприимчивость, которая для разреженной среды линейно связана с поляризуемостью частиц и их концентрацией.

Поляризуемость частиц, в свою очередь, зависит от частоты и интенсивности наведенного электромагнитного поля. В описанной системе это приводит к возникновению двух различных сил. Первая сила — дипольная — действует в сторону уменьшения оптического дипольного потенциала. В ситуации, когда интенсивность света максимальна в центре пучка и спадает к его краям, а частота чуть меньше, чем резонанс поглощения, она заставляет частицы всегда прижиматься к оси пучка. Вторая сила — рассеивающая. Она обусловлена поглощением фотона и его дальнейшим переизлучением в случайном направлении.

Стоит отметить, что записанные уравнения имеют универсальный характер и допускают масштабирование для различных расстояний и концентраций. Однако для авторов интерес представляло решение уравнений в контексте распространения мощного излучения на очень большие расстояния, необходимого для разгона солнечного паруса. Поэтому они рассматривали начальные условия, в которых диаметры светового пучка и пучка частиц были равны одному метру. В роли частиц физики выбрали изотопы ⁶Li, летящие со скоростью 0,1 скорости света и температурой 0,1 кельвин и обладающие линией поглощения на 671 нанометрах.

В результате численного решения уравнений, ученые нашли оптимальные условия, при которых сохранение фокусировки будет наиболее эффективным. Они включали в себя отстройку лазера равную -19 терагерц, мощность лазера равную 2,2 тераватт и концентрацию атомов равную 5,0×10¹³ обратных кубометров. При таких условиях пучки остаются хорошо сколлимированными вплоть до нескольких десятков тысяч километров. При этом волноводный режим для света оказывается одномодовым.

В описанной системе концентрация атомов достаточно мала. Однако физиков интересует распространение мощного лазерного света и в более плотных средах. Мы уже рассказывали про подобное исследование в воде.

Марат Хамадеев