Исследователи создали новый мощный метод для измерения ультракоротких лазерных импульсов высокой энергии. Это измерение выполняется за один «выстрел». Метод решает давние проблемы захвата их сложной структуры. Это нововведение крайне важно. Ведь лазерные технологии движутся к беспрецедентным уровням энергии и использованию плазменной оптики.
Проблема измерения мощных лазерных импульсов
Измерение ультракоротких импульсов — сложная задача. Они длятся всего лишь фемтосекунды. Это одна квадриллионная доля секунды (10⁻¹⁵ с). Такие импульсы часто обладают огромной пиковой мощностью, достигающей тераватт (триллион ватт) и даже петаватт (квадриллион ватт).
Однако главная трудность не только в их краткости и мощности. Эти импульсы часто имеют сложную пространственно-временную структуру. Их пространственный профиль может меняться во времени в течение самого импульса. Это явление известно как пространственно-временная связь (STC). Полное понимание и использование таких импульсов требует точного измерения этой сложной структуры.
Существующие методы часто требуют многократных измерений. Но это не подходит для многих экспериментов. Ведь импульсы от мощных лазеров могут слегка отличаться от выстрела к выстрелу. Другие методы, работающие в однократном режиме, часто бывают слишком сложными, дорогими или неспособными уловить все детали профиля импульса.
Решение: Технология STRIPED FISH
Прорыв в этой области совершили ученые из Института фундаментальных исследований Тата (TIFR) в Мумбаи, Индия. Группа под руководством доктора Б. Рамакришны разработала новую методику. Она называется STRIPED FISH (Spatio-Temporal Reilly-imaging Interferometer for Detailed Electric field Information using a SHarp edge). Этот метод позволяет полностью охарактеризовать сложный тераваттный лазерный импульс всего за один выстрел. Их работа была опубликована в престижном журнале Optics Letters.
По сути, STRIPED FISH «замораживает» импульс во времени и пространстве. Техника преобразует временную информацию импульса. Она отображает её в пространственное измерение. Это легко регистрируется с помощью стандартной ПЗС-камеры.
Как работает STRIPED FISH
В основе метода лежит простой, но элегантный принцип интерферометрии с использованием бипризмы Френеля.
- Входящий лазерный пучок разделяется на две части с помощью бипризмы Френеля. Это как бы создает два виртуальных источника света.
- Эти две копии импульса затем проходят немного разные оптические пути. В итоге они снова накладываются друг на друга под небольшим углом.
- При наложении возникает интерференционная картина. Она состоит из чередующихся светлых и темных полос.
- Ключевым моментом является то, что из-за введенной задержки между двумя копиями импульса, разные временные срезы импульса интерферируют в разных пространственных положениях на детекторе (камере).
- Таким образом, временной профиль импульса «кодируется» в пространственном распределении интерференционных полос.
Анализируя эту двумерную интерференционную картину с помощью специального алгоритма, исследователи могут восстановить полную амплитуду и фазу лазерного поля. Это дает полную пространственно-временную характеристику импульса.
Значение прорыва для лазерных технологий
Эта разработка имеет огромное значение. Лазерные системы становятся все мощнее. Они достигают петаваттных уровней мощности (10¹⁵ Вт). Точное измерение профиля импульса необходимо для их эффективного использования. Особенно это важно для приложений, использующих взаимодействие лазера с плазмой.
Например, такие лазеры применяются для:
- Создания компактных ускорителей частиц.
- Разработки новых источников рентгеновского излучения для медицины и материаловедения.
- Исследования фундаментальных процессов в экстремальных условиях.
Новый метод также важен для развития плазменной оптики. Эта технология использует плазму для управления мощными лазерными пучками. Она может заменить традиционные зеркала и линзы. Ведь они повреждаются при таких высоких интенсивностях света. Возможность измерить сложный лазерный импульс за один выстрел гарантирует точность. Это критично для экспериментов, где свойства импульса могут варьироваться.
Будущее измерений лазерных импульсов
Метод STRIPED FISH предлагает простое, но мощное решение давней проблемы. Он позволяет детально изучать сложнейшие световые явления. Его надежность, относительная простота и однократный режим работы открывают новые возможности в физике сверхмощных лазеров. Это также важно для разработки новых технологий. Технология поможет лучше понять и контролировать свойства лазерного импульса. В итоге это ускорит прогресс во многих областях науки и техники.
Добавить комментарий