Текст уведомления здесь

Физики научились сжимать свет в пучок

Группа физиков из России, Австрии и США продемонстрировала эффект самопроизвольного сжатия лазерного пучка в тонкий луч, называемый филаментом. Ученые, комментарий которых удалось получить редакции "Чердака", считают, что этот эффект найдет применение сразу в нескольких областях — от анализа состава атмосферы до лазерной связи.
Добавить в закладки
Комментарии
Исследователи из Российского квантового центра, МГУ, Института проблем лазерных и информационных технологий, Венского технологического университета и Техасского университета A&M представили свою работу на страницах журнала Scientific Reports
. В эксперименте использовались короткие, продолжительностью менее 100 фемтосекунд (одна десятитриллионная доля секунды) импульсы, которые затем проходили через стандартную собирающую линзу.

Если бы ученые работали с обычным источником света, то лучи просто собрались бы в фокусе и затем без каких-либо изменений разошлись в виде конуса. Однако из-за очень высокой плотности энергии в лазерном импульсе начали проявляться нелинейно-оптические эффекты: свет менял свойства воздуха, а воздух, в свою очередь, начинал влиять на свет. Это взаимодействие лазерного излучения с веществом привело к тому, что лучи не разошлись в разные стороны, а продолжили распространяться узким пучком. В английской литературе такой световой жгут называют filament, «нить", а эффект его образования — филаментацией. Через некоторое время свет все-таки расходится, но затем может опять собраться. В результате достаточно мощный лазерный луч распространяется без рассеяния на гораздо большее расстояние, чем можно было бы ожидать в отсутствие филаментации.

С практической точки зрения филаментизация интересна сразу по нескольким причинам. Во-первых, она позволяет проводить при помощи лазерных установок исследование атмосферы, определяя ее состав вдали от самого прибора. Как пояснил редакции «Чердака» один из авторов, Александр Митрофанов, внутри филамента атомы азота переходят в возбужденное состояние и начинают сами испускать лазерное излучение: прямо в воздухе возникает еще один лазер, излучающий вдоль филамента в обе стороны. Его луч можно легко зафиксировать и по его спектру сделать вывод о химическом составе воздуха.

Кроме того, узкий и мощный лазерный пучок можно использовать в качестве линии связи. Однако, несмотря на то что филаментизацию видимого света впервые продемонстрировали около 20 лет назад, вопрос о возможности получения филаментов в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны в несколько микрометров (эта область интересна для спектрального анализа) оставался открытым. Теоретические расчеты показали, что для филаментизации необходимо достичь мощности лазера порядка ста гигаватт — сопоставимо с электрической мощностью небольшого государства.

Поскольку авторы использовали импульсный лазер с очень короткими вспышками, мощность (напомним, что это энергия в единицу времени) росла не за счет потребляемого электричества, а за счет сжатия во времени импульса. Получить короткий инфракрасный импульс с нужными характеристиками оказалось непросто: физики характеризуют свою установку как «находящуюся на переднем крае современной лазерной техники». Эта дословная цитата (cutting-edge laser technologies) подкрепляется диаграммой с результатами предыдущих исследований: такой мощности в инфракрасном диапазоне пока что никому достичь не удавалось. Применив ряд технологических решений, ученые получили достаточно мощные импульсы и доказали возможность филаментизации инфракрасного излучения с длиной волны в 3,9 микрометра.

В статье физиков говорится также об интересном сопутствующем эффекте. Небольшая часть энергии лазерного излучения преобразуется внутри светового жгута из инфракрасного света в видимый. Ученые приложили фотографию, на которой видны красные и зеленые пятна, возникшие в результате эксперимента. Это явление тоже было предсказано теоретически, и экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами предварительных расчетов.

Ведущий автор исследования, Алексей Желтиков также согласился ответить на вопросы редакции «Чердака»:

«Чердак»: - Эффект генерации нечетных гармоник (то есть появление видимого света в собравшемся жгуте) сам по себе имеет интерес с практической точки зрения или это просто любопытное побочное явление?

Алексей Желтиков: - Генерация гармоник позволяет получить излучение с рекордно широким спектром, шириной около пяти октав, простирающимся от ультрафиолетового через весь видимый до среднего инфракрасного диапазона, именуемого “fingerprint region” в английской литературе за его важность в молекулярной спектроскопии. Такие спектры требуются в лазерной спектроскопии, а также для синхронизации лазеров, работающих в разных спектральных диапазонах.

«Чердак»: - Что входит в понятие delivery of high-power laser beams, которое встречается в статье? Только лишь телекоммуникации и зондирование атмосферы или же так можно на расстоянии что-нибудь сверлить-резать? Навскидку приходят как очевидно военные применения, так и более мощная "лазерная пушка" вроде той, что стоит на марсоходе Curiosity. Или может вовсе можно сваривать-резать металл в зоне пожара, куда просто так не подойти?

Алексей Желтиков: - Несмотря на десяток миллиджоулей из-за очень короткой длительности и большой пиковой мощности импульсы пригодны для резки и обработки металла и диэлектриков. Замечательно, что из-за короткой длительности такие импульсы испаряют металл, не нагревая его, что важно для особенно аккуратной обработки поверхности металлов и диэлектриков, в том числе обработки наноразмерных структур.
Однако для сверления толстого слоя металла нужны импульсы с большей частотой повторения. Наши импульсы удобны для прецизионной дистанционной обработки поверхности материалов.

P.S. На русском языке про филаментизацию лазерного излучения можно прочитать здесь.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы