Российские ученые исследовали процесс создания оптических гармоник высокого порядка в плазме, созданной ультракороткими лазерными импульсами на поверхности твердых мишеней. Эта работа может привести к созданию эффективного источника аттосекундных (10⁻¹⁸ секунды) импульсов, открыть новые режимы взаимодействия лазерного излучения с веществом, исследовать процессы генерации когерентного рентгеновского излучения и лазерного ускорения частиц. Работа проходила в рамках проектов, поддержанных Российским научным фондом. Статья ученых опубликована в журнале Optics Letters.

Оптическая физика сверхкоротких (длительностью от единиц до десятков периодов колебаний электромагнитного поля) импульсов и лазерные технологии стремительно развиваются в направлении освоения среднего инфракрасного (ИК) диапазона (2–10 микрометров). Новые методы генерации сверхкоротких импульсов позволяют сформировать предельно короткие пучки электромагнитного излучения с рекордной для этого диапазона мощностью поля.

Сотрудники Российского квантового центра совместно с коллегами из Технического университета Вены (Австрия) создали уникальную лазерную систему, позволяющую получать импульсы длительности около 80 фемтосекунд (фс, 1 фс = 10^-15 с) на длине волны около 3,9 мкм с энергией до 35 миллиджоулей (мДж). Такие интенсивные всплески электромагнитного поля в данном частотном диапазоне позволяют ученым воспроизвести новые режимы взаимодействия излучения с веществом и открывают необычные свойства нелинейно-оптического отклика материалов в среднем ИК-диапазоне.

«Эксперименты, поддержанные грантами РНФ, показали, что можно использовать оптические источники мощных сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона последнего поколения для достижения релятивистских уровней интенсивности поля. Лазерное излучение такой пиковой мощности способно ускорять электроны до скоростей, сравнимых со скоростью света», — рассказал один из авторов статьи, научный сотрудник ФНИЦ «Кристаллография и фотоника», кандидат физико-математических наук Александр Митрофанов.

Результаты экспериментов показали, что в среднем ИК-диапазоне релятивистский режим может наблюдаться при гораздо более низких уровнях интенсивности лазерного поля. Это происходит из-за того, что длина волны излучения в несколько раз больше, чем у широко распространенных лазерных систем видимого и ближнего ИК диапазона (0,4–2 мкм).

В ходе работы ученые сфокусировали лазерные импульсы на поверхности твердотельной мишени, обеспечивая интенсивность поля в диапазоне 10¹⁷ Вт∕см². Это значение считается низким по стандартам релятивистской оптики в ближней ИК-области, однако его хватает для создания гармоник высокого порядка с характерными релятивистскими свойствами от источников в более длинноволновом диапазоне.

На основе данных исследований авторы смогут проводить экспериментальные исследования в области релятивистской оптической физики, в том числе лазерного ускорения частиц, генерации когерентного рентгеновского излучения, исследования свойств материи в экстремальных условиях на лабораторном столе.

«Выполненные исследования показали, что совместное использование современных мощных короткоимпульсных источников ближнего ИК-диапазона может радикально повысить эффективность создания аттосекундных импульсов. Это позволит исследовать физические процессы на атомном и ядерном уровне», — заключил руководитель научной группы, профессор физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, доктор физико-математических наук Алексей Желтиков.