Художественный взгляд на новую схему генерации широкополосных световых импульсов: почти монохроматический лазерный импульс поступает в так называемую многопроходную ячейку, состоящую из двух фокусирующих зеркал. Кроме того, в ячейке имеется набор стеклянных пластин, который вызывает расширение оптического спектра, а также представляет собой последовательность линз. Исходящий импульс имеет гораздо более широкий оптический спектр. Предоставлено: сверхбыстрая наука

За первой демонстрацией лазера в 1960 году вскоре последовало рождение новой области исследований: нелинейной оптики. Уникальные свойства когерентности вынужденного излучения, фундаментального физического процесса лазерного излучения, позволили получить интенсивность, на много порядков превышающую интенсивность некогерентных источников. Высокая интенсивность возбуждает электроны настолько сильно, что они колеблются с частотами, отличными от частот поля движущегося света. Последующее дипольное излучение может быть чрезвычайно красочным. Оптическое волокно или лазерные нити десятилетиями использовались в качестве волноводов, чтобы максимизировать этот эффект и генерировать чрезвычайно широкополосные световые импульсы.

Однако, если лазерные импульсы несут слишком много энергии, волокно повреждается и световые нити разрушаются, так что уникальные пространственные свойства лазерного излучения теряются. Исследователи из немецкого электронного синхротрона DESY в Гамбурге, Германия, и Института Гельмгольца в Йене, Германия, сообщили о новом методе управления светом в масштабируемой по энергии манере. Наведение осуществляется за счет использования двух перефокусирующих зеркал и тщательного расположения тонких нелинейных стеклянных окон.

Ученые сообщили в недавней публикации в Ultrafast Science , что световые импульсы получают в такой установке более чем в 30 раз больше своей исходной полосы пропускания и, следовательно, могут быть сжаты с тем же коэффициентом. Это сокращает их продолжительность и значительно увеличивает их пиковую мощность. Примечательно, что эти эксперименты проводились с лазерными импульсамикоторые превышают предел пиковой мощности в стеклянных волокнах в 40 раз. Однако, несмотря на распространение через стекло толщиной около 40 см, качество луча и энергия импульса остаются высокими. «Мы элегантно объединили два недавних подхода к расширению полосы пропускания ультракоротких импульсов. Тем не менее, оптическая схема очень проста. Вся оптика, которую мы использовали в нашей схеме расширения спектра, была стандартной. Это, а также отличные шумовые свойства делают наш подход широко применимым, — говорит доктор Маркус Зайдель, ведущий автор публикации.

Д-р Кристоф Хейл, младший руководитель группы DESY и Института Гельмгольца в Йене, добавляет, что «в сверхбыстрых лазерных технологиях наблюдается четкая тенденция к источникам высокой средней мощности, которые часто могут подавать импульсы только с длительностью пикосекундного уровня. - экономичный подход к превращению этих лазеров в импульсные источники длительностью всего в десятки фемтосекунд с пиковой мощностью в гигаватт».

Фемтосекундный режим — это временная шкала молекулярного движения, которое можно отслеживать и управлять им с помощью ультракоротких импульсов. Кроме того, фемтосекундные импульсы слишком быстры, чтобы допустить выделение тепла после ионизации. Это широко используется в лазерной обработке материалов. Подход со сжатием импульсов уже несколько месяцев используется на лазерной установке DESY FLASH на свободных электронах. Это позволило ученым сделать точные снимки молекулярной динамики в новых квантовых материалах.

«Пользователи нашего учреждения были очень довольны этим», — говорит доктор Зайдель и смотрит вперед: «Конечно, мы были бы рады, если бы эта технология позволила проводить передовые научные эксперименты в DESY и многих других институтах по всему миру».

Группа доктора Хейла недавно опубликовала результаты моделирования, демонстрирующие расширение продемонстрированного подхода к пиковым мощностям в тераваттах и ​​импульсным энергиям на уровне джоулей. Реализация такого эксперимента с повышенным энергопотреблением откроет двери для совершенно новых приложений.

«Уширение спектра и сжатие импульсов были определены лауреатом Нобелевской премии 2018 года Жераром Муру в качестве ключевых методов для развития физики сильного поля, — говорит доктор Хейл. «Благодаря новой технологии его предсказание может воплотиться в жизнь. Мы уже устанавливаем в наших лабораториях первый компактный многопроходный ускоритель частиц на основе ячеек. Мы ожидаем, что эта концепция также окажет влияние на будущую лучевую терапию и, возможно, даже на лазерную на основе слияния».