Физики смогли сконцентрировать излучение от мощного петаваттного лазера в пятно интенсивностью свыше 10²³ ватт на квадратный сантиметр. Чтобы этого достичь, они провели двухступенчатую коррекцию волнового фронта, стабильность которого проверялась на 80 импульсах. Такая интенсивность позволит пронаблюдать рождение электрон-позитронных пар из вакуума.

Результаты опубликованы в Optica.

С момента изобретения усиления света с помощью чирпированных импульсов начался бурный рост интенсивности лазерного излучения, достижимой в лабораторных условиях. Мощный свет нужен для множества задач, но особый интерес представляет использование лазеров для ускорения частиц, а также для наблюдения квантово-электродинамических эффектов в режиме сильного поля, поскольку интенсивность излучения пропорциональна среднему числу фотонов в пучке.

Любой фотон по мере своего движения постоянно участвует в виртуальном процессе, когда он на очень короткое время превращается в электрон-позитронную пару и обратно (его еще называют поляризацией вакуума). Когда фотонов становится достаточно много, на такую пару могут налетать соседние фотоны, увеличивая кратно частоту основного фотона. Этот процесс носит название вакуумной генерации старших гармоник. Дальнейший рост интенсивности света приводит к тому, что электрон-позитронная пара из виртуальной становится реальной. Иными словами, при достаточно большой интенсивности света из вакуума рождается материя.

Первые расчеты теоретиков показали, что такой процесс становится наблюдаемым при достижении так называемого предела Швингера, который в единицах интенсивности составляет примерно 5×10²⁹ ватт на квадратный сантиметр. Последующие исследования показали, что для схемы на встречных пучках этот предел снижается до 10²⁶ ватт на квадратный сантиметр. Затем физики стали предлагать различные схемы с участием большего числа импульсов, которые снизили этот порог до 10²³ ватт на квадратный сантиметр. До недавнего времени, однако, ни одна из лабораторий мира, производящих мощное лазерное излучение, не могла достигнуть этого значения.

В новой работе группа физиков из Южной Кореи под руководством Чхан-хи Нам (Chang Hee Nam) смогла получить такую интенсивность с помощью петаваттного лазера, расположенного в Центре релятивистской лазерной науки Южной Кореи (CoReLS). Особенностью их работы было то, что они свели импульс от лазера в пятно диаметром 1,1 микрон.

Схема эксперимента. LD – лазерный диод, PBS – поляризационный светоделитель, HWP – полуволновая пластинка, EM – измеритель интенсивности, PM1–4 – плоские зеркала, DM1–2 – адаптивные зеркала, WFS1–2 – датчики Шака-Гартмана, OAP – внеосевое параболическое зеркало, OL – объектив, BS – светоделитель. / J. W. Yoon et al / Optica, 2021

Размер пятна критически важен для достижения большой интенсивности, поскольку последняя обратно пропорциональна площади пучка. Однако уменьшение пятна имеет границу, определяемую законами волновой оптики, которая называется дифракционным пределом. Целью авторов работы было достичь именно такого размера пятна.

Однако, для такой сложной схемы этого невозможно добиться с помощью традиционных оптических элементов. Поэтому физики добавили в установку два этапа контроля и коррекции волнового фронта. Первое делалось с помощью датчиков Шака-Гартмана, второе — с помощью адаптивных (деформируемых) зеркал. Финальная фокусировка проводилась с помощью внеосевого параболического зеркала для минимизации аберраций.

В результате физики смогли получить распределение интенсивности на детекторе, близкое к случаю идеальной фокусировки. Анализ погрешностей с помощью 80 последовательных импульсов показал, что причинами флуктуации интенсивности стали флуктуации волнового фронта, вызванные потоками воздуха на пути лазерного луча. В борьбе с ними авторы увидели дальнейший путь усовершенствования установки.

Распределение интенсивности сфокусированного света в пятне: (a) до и (b) после коррекции волнового фронта; © случай идеальной фокусировки, рассчитанный с помощью симуляции. / J. W. Yoon et al / Optica, 2021

В дальнейшем на собранной установке физики планируют исследовать разнообразные квантово-электродинамические явления, такие как рождение электрон-позитронных пар из вакуума и нелинейный эффект Комптона, а также изучить механизм ускорения заряженных частиц за счет давления света.

Современная физика немыслима без лазеров. Мы уже рассказывали, как с помощью них охлаждают антивещество и измеряют энергию переходов в релятивистских ионах.