Физики из Великобритании, Южной Кореи, Франции и США разработали лазерный усилитель с рекордно большим коэффициентом усиления — он позволяет увеличивать энергию лазерного импульса в сто миллионов раз. В основе прибора — эффект рамановского усиления в плазме, источником энергии для усиления выступает петаваттный лазер, один из мощнейших в мире. Помимо возможности усиления пикоджоулевых импульсов (пикоджоуль — 10^-12 джоуля) до 100 миллиджоулей (10^-1 джоуля), новая техника обладает высокой эффективностью — порядка 10 процентов. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Стратклайда.

Усиление лазерного излучения — важный элемент телекоммуникационных схем и многих оптических экспериментов, в частности, посвященных взаимодействию света с материей. Излучение высокой интенсивности позволяет, например, исследовать рождение электрон-позитронных пар в вакууме, а также воспроизводить условия и процессы внутри звезд. 

Существует несколько различных схем для усиления излучения, но все они сводятся к одной идее. Сигнальный импульс, который необходимо усилить, взаимодействует с некоторой средой, содержащей избыточную энергию (например, с возбужденными атомами в оптоволокне). При определенных условиях испускание фотонов средой синхронизируется с фотонами сигнального импульса — новые кванты света добавляются к импульсу и тем самым усиливают его. Для полупроводниковых усилителей коэффициент усиления может достигать тысяч раз. 

Однако чем больше требуемая энергия лазерного импульса, тем сложнее добиться усиления: мощное лазерное излучение попросту разрушает материал усилителя. Поэтому добиться огромных энергий чрезвычайно сложно, это требует сложных и дорогостоящих установок. Один из путей избежать такого разрушения — использовать среду, которая по сути уже была разрушена, — плазму. Но до сих пор, по словам авторов, лучшим результатом усиления в плазме было увеличение энергии импульса с 16 микроджоулей до 5,6 миллиджоуля. 

Авторы новой работы добились с помощью плазмы рекордного усиления среди существующих лазерных систем — на восемь порядков, от сотен пикоджоулей в импульсе до 100 миллиджоулей. По словам ученых, это более чем в 100 раз превышает возможности усиления традиционных приборов, основанных на твердофазных средах. 

Плазма, генерируемая с помощью лазера Vulcan. CLF / STFC

Эксперимент был построен следующим образом. Водородная плазма формировалась благодаря импульсам инфракрасного петаваттного лазера Vulcan. В одном 10-пикосекундном импульсе содержалось до 100 джоулей энергии. Одновременно с этим генерировался второй — очень слабый пикосекундный импульс с суммарной энергией порядка сотен пикоджоулей. За счет большой энергии накачки основного лазера в плазме происходили нелинейные процессы. Физики поясняют, что взаимодействие двух импульсов порождало волны в плазме, работавшие как зеркала. В результате часть энергии накачки переходила в энергию сигнального импульса. 

Энергия рассеянного в результате рамановского усиления излучения достигала 170 миллиджоулей. Однако почти половина этой энергии, 70 миллиджоулей, — результат усиления флуктуаций плазмы. Этот недостаток не позволяет полноценно использовать такие усилители, однако при меньшей мощности лазера накачки доля шумов не так велика. По оценкам авторов, эффективность усиления в установке достигает 10 процентов (в ранних работах — 6,4 процента).

Самым мощным импульсным лазером в мире является двухпетаваттный LFEX, испытанный в 2015 году. Среди крупнейших установок также выделяется Техасский петаваттный лазер (1,2 петаватта). С его помощью физики «превращают»:[] золото в фонтан антиматерии. Лазеры подобной мощности позволяют создавать плазменные зеркала и дифракционные решетки.

Автор: Владимир Королёв