Аттосекундные лазеры на плазме

Основные физические принципы

Создание аттосекундных импульсов с использованием плазменных систем базируется на нелинейных процессах взаимодействия сверхмощного лазерного излучения с плазмой. При интенсивностях порядка 10¹⁸–10²⁰ Вт/см² плазма начинает вести себя как нелинейное зеркало, способное отражать свет с преобразованием его спектрального состава. В таких условиях возникает процесс генерации высоких гармоник (HHG, High Harmonic Generation), при котором отражённый импульс обогащается гармониками, доходящими до сотен и даже тысяч порядков.

Плазма при этом играет двойную роль:

1. Среда для формирования нелинейных эффектов – ионизованный газ обеспечивает условия для экстремального нелинейного отклика.
2. Сверхплотное зеркало – граница плазмы отражает падающий импульс и действует как источник когерентного аттосекундного излучения.

Механизм генерации гармоник на плазменных зеркалах

Ключевым механизмом является модель Relativistic Oscillating Mirror (ROM). При падении сверхсильного лазерного импульса поверхность плазмы начинает колебаться с релятивистской скоростью. Эти колебания модулируют отражённое электромагнитное поле, создавая спектр с высокими гармониками.

• Сдвиг Доплера при релятивистском движении границы усиливает высшие гармоники.
• Спектр излучения приобретает форму степенного закона, что обеспечивает ультраширокополосные аттосекундные пакеты.
• Время формирования таких импульсов ограничивается лишь длительностью лазерного цикла, что позволяет достичь времен порядка десятков или даже единиц аттосекунд.

Сравнение с генерацией в газах

Традиционная генерация аттосекундных импульсов реализуется в газовых мишенях через механизм туннельной ионизации и рекомбинации электронов. Однако этот подход имеет ряд ограничений:

• ограниченная энергия импульсов (обычно до десятков нано- или микроджоулей),
• быстрое насыщение интенсивности,
• узкий диапазон спектра.

В отличие от этого, плазменные системы:

• выдерживают экстремальные интенсивности без разрушения среды,
• способны генерировать излучение с энергией вплоть до миллиджоулей,
• обеспечивают более высокий предел по частоте гармоник, вплоть до жёсткого рентгена.

Экспериментальные реализации

В лабораторных условиях аттосекундные лазеры на плазме реализуются с помощью следующих методик:

1. Плазменные зеркала Формируются при ионизации твёрдой мишени мощным лазером. Сама поверхность мишени выступает в роли отражателя, создающего гармоники.

2. Плазменные каналы Используются для направленного распространения лазерного импульса. При этом сам канал становится источником когерентного излучения в аттосекундной области.

3. Ионные пучки и лазерные возбуждения в плотной плазме Позволяют генерировать не только гармоники, но и когерентное рентгеновское излучение с аттосекундной структурой.

Управление фазой и синхронизацией

Для формирования одиночных аттосекундных импульсов требуется жёсткий контроль фазы и синхронизации. В плазменных системах это достигается за счёт:

• контроля крутизны фронта лазерного импульса,
• использования двухцветных полей (например, комбинация основного и второй гармоники),
• управления углом падения на плазменное зеркало,
• предварительного формирования плазменного профиля (градиента плотности).

Все эти методы позволяют не только выделять отдельные аттосекундные импульсы, но и управлять их спектральными характеристиками.

Энергетические возможности и масштабируемость

Одним из ключевых преимуществ плазменных аттосекундных лазеров является их масштабируемость по энергии. Тогда как газовые системы ограничены в диапазоне микроджоулей, плазменные источники способны работать на уровне миллиджоулей и выше, что открывает перспективы для практического применения:

• исследования ультрабыстрых электронных процессов в атомах и молекулах,
• диагностика плазмы и конденсированных сред,
• рентгеновская голография с аттосекундным разрешением.

Перспективы развития

Современные направления исследований в этой области включают:

• создание компактных источников аттосекундного излучения на основе настольных лазеров,
• переход к жёсткому рентгену, позволяющему исследовать ядра атомов и быстрые процессы в конденсированных средах,
• многофотонная и многоквантовая динамика в режиме экстремальных полей,
• совмещение с ускорителями частиц для генерации аттосекундных вспышек на высоких энергиях.

Таким образом, плазменные аттосекундные лазеры сегодня рассматриваются как фундаментальная технология следующего поколения, способная существенно расширить границы исследования ультрабыстрых процессов в физике, химии и материаловедении.