Учёные из Оксфордского университета представили передовой 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, за одно колебание (или «волновой цикл») 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 нашу способность фиксировать динамическую природу этих экстремальных световых импульсов.
Новое исследование, проведённое под руководством исследователей из физического факультета Оксфордского университета и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, описывает принципиально новую диагностическую методику, 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.
Наличие 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 включаются 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 разной поляризацией). Массив микролинз (сетка из крошечных линз) затем фиксирует структуру волнового фронта лазерного импульса (форму и направление).
Информация записывается специализированным оптическим датчиком, который фиксирует её в одном изображении, из которого компьютерная программа реконструирует полную структуру лазерного импульса.
Ведущий исследователь Са́нни Хо́вард (доктор философии, факультет физики Оксфордского университета и приглашённый учёный в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана) сказал: «Наш подход впервые позволяет полностью зафиксировать сверхмощный лазерный импульс в реальном времени, включая его состояние поляризации и сложную внутреннюю структуру».
Техника была успешно протестирована на лазере класса ATLAS-3000 мощностью в петаватт в Германии, где были выявлены небольшие искажения и волновые сдвиги в лазерном импульсе, которые ранее было невозможно измерить в реальном времени, что позволило исследовательской группе точно настроить прибор.
Эти искажения, известные как пространственно-временные связи, могут существенно повлиять на результаты экспериментов с высокой интенсивностью лазерного излучения.
Благодаря обратной связи в реальном времени RAVEN позволяет вносить немедленные корректировки, повышая точность и эффективность экспериментов в физике плазмы, ускорении частиц и науке о высокой плотности энергии. Это также приводит к значительной экономии времени, поскольку для полной характеристики свойств лазерного импульса не требуется множество выстрелов.
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 выстрелов, 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 Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и приглашённый учёный в области атомной и лазерной физики Оксфордского университета), добавляет: «Вскоре после того, как Санни присоединился к нам в Мюнхене на год, мы наконец поняли, что привело к результату, лежащему в основе RAVEN: сверхмощные импульсы ограничены таким крошечным пространством и временем при фокусировке, что существуют фундаментальные ограничения на то, сколько разрешения фактически необходимо для выполнения этого типа диагностики».
«Это изменило правила игры и позволило нам использовать микролинзы, что упростило нашу установку».
В будущем 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:
[Оксфордский университет](https://phys.org/partners/oxford-university/)