Генерация фемтосекундных импульсов
ультрарелятивистской интенсивности:
тенденции и современный уровень
решения проблемы
Из выступления к.ф.-м.н. Е.В. Пестрякова.
В настоящее время одним из наиболее бурно развивающихся направлений современной физики является фемтосекундная лазерная физика. Это связано, прежде всего, с активной разработкой новых методов генерации и усиления сверхкоротких оптических импульсов фемтосекундной длительности
(1 фс = 10–15 с) и широким использованием фемтосекундных лазерных систем в исследованиях фундаментального и научно-технического характера.
Междисциплинарный характер исследований, проводимых с помощью фемтосекундных лазерных источников излучения, является важным фактором прогресса во многих областях науки и техники: в диагностике и управлении процессами на атомном и молекулярном уровне в физике, химии, биологии, медицине; в фемтосекундной метрологии; в информационных технологиях высоких плотностей записи и передачи информации; в прецизионной микрообработке и создании наноматериалов и структур.
Cледует выделить успешное развитие в последнее время физики сверхсильных оптических полей, связанное с разработкой высокоинтенсивных мультитераваттных (1 ТВт = 1012 Вт) фемтосекундных лазерных систем на основе твердотельных лазерных и параметрических усилителей. Напряженность электрического поля в оптическом излучении таких систем при интенсивностях >1018 Вт/см2 достигает ~ 1012 В/см, что на несколько порядков превосходит уровень внутриатомных полей
(~ 109 В/см) и приводит к релятивистскому движению электронов. Поэтому интенсивности, превышающие уровень 1018 Вт/см2, получили название релятивистских. В полях такой интенсивности колебательная энергия электрона, взаимодействующего с волной, достигает энергии, равной энергии его покоя, mc2.
При переходе к более высоким мощностям петаваттного уровня (1 ПВт = 1015 Вт), при фокусировке в пятно диаметром порядка длины волны (~ 1 мкм) интенсивность такого излучения достигает величины ~ 1023 Вт/см2. При этой интенсивности электрон может набрать энергию, сравнимую с энергий покоя позитрона. Интенсивности, превосходящие этот уровень, получили название ультрарелятивистских.
Излучение релятивистской интенсивности и, естественно, ультрарелятивистской интенсивности позволяет на коротких интервалах взаимодействия создавать состояния вещества с необычными, экстремальными свойствами, так как за фемтосекундные времена среда, в которую вкладывается энергия оптического импульса, не успевает изменить свой объем, что приводит к аномально высокому возрастанию в этом объеме температуры и давления. Это ведет к формированию нового направления в физике — физики экстремальных состояний вещества.
Наряду с этим, высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные системы становятся экспериментальной базой развития таких новых направлений как:
релятивистская оптика — оптика релятивистского типа взаимодействия оптических полей с объектами атомного или молекулярного характера и генерации когерентного рентгеновского и гамма-излучения;
аттосекундная физика — физика формирования импульсов излучения аттосекундной длительности
(1ас = 10–18 с) и процессов, протекающих в аттосекундном диапазоне времени;
экспериментальная квантовая электродинамика, в которой, например, для рождения электрон-позитронных пар в вакууме необходимо получение электрических полей ~1016 В/см, т.е. интенсивностей, достигающих
~ 1029—1030 Вт/см2. Эти интенсивности будут достижимы в фемтосекундных зеттаваттных комплексах (1 ЗВт = 1021 Вт), но уже сейчас излучение мультитераваттных и петаватных систем рассматривается в качестве инструмента инициирования и управления ядерными и термоядерными процессами.
В настоящее время развитие высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных систем ведется по нескольким направлениям. Наиболее перспективным среди них является путь уменьшения длительности импульсов до предельно коротких в оптическом диапазоне (~ 3—5 фс) и усиления этих импульсов до петаваттного уровня. Очень важным для этого направления является поиск новых лазерных материалов с аномально широкими полосами усиления предельно коротких импульсов, так как чем шире спектр усиления, тем короче длительность импульса. Кроме того, очень важно также, чтобы новые лазерные среды позволяли использовать для их накачки излучение диодных лазеров для повышения эффективности лазерных систем в целом и создания высокоинтенсивных установок лабораторного типа.
Сотрудниками Института лазерной физики СО РАН (ИЛФ СО РАН) предложен и разрабатывается гибридный принцип создания высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных систем, суть которого заключается в использовании в усилительных каскадах параметрического и лазерного методов усиления. Это позволяет поднять эффективность лазерной системы в целом, преодолеть эффекты увеличения длительности импульсов при многопроходном лазерном усилении, а также значительно повысить контраст усиленных импульсов. Работы, проводимые в ИЛФ СО РАН, показывают, что развиваемый гибридный принцип усиления перспективен для реализации сверхмощной фемтосекундной системы до петаваттного уровня и выше.
Одновременно с этим в ИЛФ СО РАН развивается новый подход к проблеме создания широкополосных твердотельных лазеров, основанный на использовании в качестве лазерно-активных сред новых кристаллических матриц с разупорядоченной структурой и нанокерамических материалов, активированных трехвалентными ионами иттербия, и развитии на их основе фемтосекундных лазерных систем, накачиваемых излучением полупроводниковых лазерных диодов. Многокомпонентные лазерные среды с разупорядоченной структурой и нанокерамические матрицы обладают широкими неоднородно уширенными полосами усиления, что позволяет использовать их для генерации и усиления импульсов фемтосекундной длительности до ультравысоких интенсивностей. Данный путь является перспективным для разработки и создания высокоэффективных петаваттных лазерных систем нового поколения.
В настоящее время в Институте лазерной физики СО РАН действует фемтосекундная лазерная система с центральной длиной волны 800 нм, выходной мощностью 1—2 ТВт при длительности импульсов
50—55 фс и частоте повторения 10 Гц. Второй канал системы с длительностью импульсов
30—40 фс при энергии в импульсе до 1 мДж и частоте повторения импульсов 1кГц в основном используется в диагностических целях.
На этой системе активно ведутся исследования в рамках интеграционных проектов СО РАН: с Институтом оптики атмосферы — по особенностям распространения излучения тераваттной мощности в атмосфере и возможности создания нового типа лидара для анализа загрязнений атмосферы, фемтосекундного лидара; с Институтом химической кинетики и горения — по временам жизни возбужденных состояний молекулярных соединений и квантовому управлению химическими процессами; с Институтом автоматики и электрометрии — по исследованию двухфотонной голографической записи информации в кристаллических матрицах с помощью фемтосекундного излучения. Планируется постановка работ по модификации фемтосекундным излучением оптически прозрачных материалов и созданию оптических волноводов и каналов, пригодных для создания элементов интегральной оптики и оптической памяти.
Дальнейшее поэтапное повышение мощности фемтосекундной лазерной системы ИЛФ СО РАН до мультитераваттного, затем петаваттного и, наконец, эксаваттного (1 ЭВт = 1018 Вт) уровней позволит перейти к исследованиям в области релятивистской оптики и аттосекундной физики. Поэтому основные усилия на первом этапе будут сосредоточены на разработке и создании высокоэффективных лазерных источников излучения ультрарелятивистской интенсивности и генерации когерентного излучения в рентгеновском диапазоне, что позволит приступить к изучению таких новых явлений как релятивистская самофокусировка и самоканализация в плазме, формирование и ускорение монокинетических электронных сгустков, генерации импульсов аттосекундной длительности и т.д.
В заключение следует отметить, что в настоящее время за рубежом наблюдается бурное развитие физики сверхсильных лазерных полей. Число проектов на эту тему и число лазерных систем, которые будут введены в действие в ближайшее время, растет в геометрической прогрессии. Это связано как с развитием непосредственно самой лазерной физики, так и с огромными перспективами в развитии фундаментальных направлений науки и техники при использовании излучения ультрарелятивистской интенсивности.
стр. 8
| 
