Учёные из Оксфордского университета представили инновационный метод для захвата полной структуры сверхмощных лазерных импульсов за одно измерение. Этот прорыв, опубликованный в результате тесного сотрудничества с Мюнхенским университетом Людвига-Максимилиана и Институтом квантовой оптики Общества Макса Планка, может революционизировать наши возможности по управлению взаимодействием света и вещества.
Результаты опубликованы в журнале Nature Photonics.
Сверхмощные лазеры могут ускорять электроны до скоростей, близких к световым, в течение одного колебания (или «волнового цикла») электрического поля, что делает их мощным инструментом для изучения экстремальной физики. Однако их быстрые флуктуации и сложная структура затрудняют проведение измерений их свойств в реальном времени.
До настоящего времени существующие методы обычно требовали сотен лазерных выстрелов для получения полной картины, что ограничивало наши возможности по захвату динамической природы этих экстремальных световых импульсов.
Новое исследование, проведённое под руководством учёных из физического факультета Оксфордского университета и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, описывает новую методику однократного диагностирования, названную RAVEN (Real-time Acquisition of Vectorial Electromagnetic Near-fields). Этот метод позволяет учёным измерять полную форму, время и выравнивание отдельных сверхмощных лазерных импульсов с высокой точностью.
Получение полной картины поведения лазерного импульса может революционизировать повышение производительности во многих областях. Например, это может позволить учёным точно настраивать лазерные системы в реальном времени (даже для лазеров, которые запускаются лишь изредка) и устранять разрыв между экспериментальной реальностью и теоретическими моделями, предоставляя более качественные данные для компьютерных моделей и симуляций на основе искусственного интеллекта.
Метод работает путём разделения лазерного луча на две части. Одна из них используется для измерения того, как цвет (длина волны) лазера изменяется со временем, в то время как другая часть проходит через двулучепреломляющий материал (который разделяет свет с разными состояниями поляризации). Затем массив микролинз (сетка из крошечных линз) фиксирует, как структурирован волновой фронт лазерного импульса (форма и направление).
Информация записывается специализированным оптическим датчиком, который фиксирует её на одном изображении, из которого компьютерная программа реконструирует полную структуру лазерного импульса.
Ведущий исследователь Солни Говард (доктор философии, факультет физики Оксфордского университета и приглашённый учёный в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана) сказал: «Наш подход впервые позволяет полностью захватывать сверхмощный лазерный импульс в режиме реального времени, включая его состояние поляризации и сложную внутреннюю структуру. Это не только предоставляет беспрецедентное понимание взаимодействия лазера с веществом, но и прокладывает путь для оптимизации высокомощных лазерных систем таким образом, который ранее был невозможен».
Техника была успешно протестирована на лазере ATLAS-3000 класса «петаватт» в Германии, где были выявлены небольшие искажения и волновые сдвиги в лазерном импульсе, которые ранее было невозможно измерить в режиме реального времени, что позволило исследовательской группе точно настроить прибор.
Эти искажения, известные как пространственно-временные связи, могут существенно влиять на производительность экспериментов с высокой интенсивностью лазерного излучения.
Благодаря обратной связи в режиме реального времени RAVEN позволяет немедленно вносить коррективы, повышая точность и эффективность экспериментов в физике плазмы, ускорении частиц и физике высоких плотностей энергии. Это также приводит к значительной экономии времени, поскольку для полной характеристики свойств лазерного импульса не требуется множество снимков.
Техника также открывает потенциальный новый путь для реализации устройств инерциального термоядерного синтеза в лаборатории — ключевого шага на пути к получению термоядерной энергии в масштабах, достаточных для обеспечения энергией общества.
Соавтор, профессор Питер Норрэйс (факультет физики Оксфордского университета), говорит: «Там, где для большинства существующих методов потребовались бы сотни снимков, RAVEN достигает полной пространственно-временной характеристики лазерного импульса всего за один. Это не только предоставляет мощный новый инструмент для лазерной диагностики, но и имеет потенциал для ускорения прогресса в широком спектре приложений сверхмощных лазеров, обещая расширить границы лазерной науки и техники».
Соавтор, доктор Андреас Дёпп (факультет физики, Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана и приглашённый учёный в области атомной и лазерной физики, Оксфордский университет), добавляет: «Вскоре после того, как Солни присоединился к нам в Мюнхене на год, мы наконец поняли, что стало основой для RAVEN: сверхмощные импульсы ограничены таким крошечным пространством и временем при фокусировке, что существуют фундаментальные ограничения на то, сколько разрешения действительно необходимо для выполнения этого типа диагностики. Это изменило правила игры и позволило нам использовать микролинзы, что значительно упростило нашу установку».
В перспективе исследователи надеются расширить использование RAVEN в более широком спектре лазерных установок и изучить его потенциал в оптимизации исследований инерциального термоядерного синтеза, лазерных ускорителях частиц и экспериментах по квантовой электродинамике в сильных полях.
Предоставлено Оксфордским университетом.