Техника сжатия лазерных импульсов может открыть путь к созданию компактных лазеров с мощностями порядка эксаватт (1018) и выше, что позволит больше узнать о природе различных материалов.
Новый метод сжатия лазерных импульсов, разработанный объединенной группой исследователей из Университета Стратклайда, Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) и Института науки и технологий Кванджу (GIST), использует дисперсионные свойства неоднородной плазмы. По мнению исследователей, этот метод проще и эффективнее других плазменных схем сжатия импульсов.
Исследователи смоделировали отражение длинного лазерного импульса с отрицательным чирпом от сверхплотной плазмы. Они создали плазменное зеркало, которое не только отражает световые импульсы, но и сжимает их более чем в 200 раз.
Ученые обнаружили, что по мере увеличения плотности плазмы в продольном направлении высокочастотная часть лазерного импульса проникала в плазму глубже, чем низкочастотная, что приводило к сжатию импульса.
С помощью одномерного моделирования исследователи подтвердили эту концепцию, показав, что пикосекундный лазерный импульс можно сжать до фемтосекунд с эффективностью, превышающей 99%. Моделирование предсказало сжатие лазерного импульса с 2,35 пс до 10,3 фс – в 225 раз. Результаты показали, что плазмы размером 10 см в диаметре будет достаточно для получения мощностей до 7,5 эксаватт.
Новый метод сжатия лазерных импульсов работает аналогично дисперсионным зеркалам, только вместо диэлектрика используется плазма.
Исследователи полагают, что длинный чирпированный импульс можно сжать в несколько сотен раз практически без потерь энергии с помощью миллиметровой плазменной решетки, которая на несколько порядков меньше, чем в традиционных системах усиления импульсов (CPA). В отличие от обычных дифракционных решеток, плазма прочна и устойчива к повреждениям при высоких интенсивностях.
«Плазма выполняет роль обычных дифракционных решеток в системах CPA, но это материал, который невозможно повредить», – сказал профессор Хён Сук. «Таким образом, это улучшит традиционную технологию CPA. Даже имея плазму размером в несколько сантиметров, ее можно использовать для лазеров с пиковой мощностью, превышающей эксаватт».
Большие интенсивности способны изменять материю. Например, когда электроны подвергаются воздействию лазера с интенсивностью выше 1018 Вт/см2, они приближаются к скорости света и попадают в область релятивистской оптики.
На интенсивности порядка 1024 Вт/см2 и выше протоны приближаются к скорости света, а частицы реагируют на свои собственные поля излучения. При интенсивности выше 1029 Вт/см2, известной как предел Швингера, частицы появляются непосредственно из вакуума, то есть свет может напрямую трансформироваться в материю. Для достижения интенсивности такого уровня необходимы лазеры мощностью от эксаватт до зеттаватт.
Компьютерное моделирование, выполненное совместной исследовательской группой, показало, что можно увеличить интенсивность света до такой степени, что станет возможным извлечение частиц из вакуума. Исследователи полагают, что при дальнейшей оптимизации из компактной системы можно будет получить даже мощности порядка зеттаватт.
Понимание природы материи и вакуума при облучении интенсивностью выше 1024 Вт/см2 является одной из важнейших задач современной физики.
«Фундаментальный вопрос заключается в том, что происходит, когда интенсивность света превышает уровни, обычные для Земли», – сказал профессор Дино Ярошинский. «Мощные лазеры позволяют ученым ответить на основные вопросы о природе материи и вакуума и исследовать так называемую границу мощности.
«Применение к материи мощностей от тераватт до петаватт позволило бы разработать лазерно-плазменные ускорители следующего поколения, которые в тысячи раз меньше обычных ускорителей», — сказал он. «Предоставление новых инструментов для исследований меняет способ ведения науки».
С помощью мощных лазеров можно изучать астрофизические явления в лаборатории, что позволит больше узнать о происхождении Вселенной.
«Ожидается, что результаты этого исследования будут применятся в различных областях, включая передовую теоретическую физику и астрофизику», — сказал профессор Мин Сип Хур. «Его также можно использовать в исследованиях лазерного термоядерного синтеза, чтобы помочь решить проблемы энергетики. Наши объединенные корейские и британские команды планируют экспериментально проверить эти идеи в лаборатории».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics (doi.org/10.1038/s41566-023-01321-x).
