Фізики створили потужний лазерний підсилювач
Фізики з Великобританії, Південної Кореї, Франції та США розробили лазерний підсилювач з рекордно великим коефіцієнтом посилення - він дозволяє збільшувати енергію лазерного імпульсу в сто мільйонів разів. В основі приладу - ефект раманівського посилення в плазмі, джерелом енергії для посилення виступає петаваттний лазер, один з найпотужніших у світі. Крім можливості посилення пікоджоульових імпульсів (пікоджоуль - 10-12 джоуля) до 100 міліджоулів (10-1 джоуля), нова техніка має високу ефективність - близько 10 відсотків. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє прес-реліз Університету Стратклайда.
Посилення лазерного випромінювання - важливий елемент телекомунікаційних схем і багатьох оптичних експериментів, зокрема, присвячених взаємодії світла з матерією. Випромінювання високої інтенсивності дозволяє, наприклад, дослідити народження електрон-позитронних пар у вакуумі, а також відтворювати умови і процеси всередині зірок.
Існує кілька різних схем для посилення випромінювання, але всі вони зводяться до однієї ідеї. Сигнальний імпульс, який необхідно посилити, взаємодіє з деяким середовищем, що містить надлишкову енергію (наприклад, з збудженими атомами в оптоволокні). За певних умов випускання фотонів середовищем синхронізується з фотонами сигнального імпульсу - нові кванти світла додаються до імпульсу і тим самим підсилюють його. Для напівпровідникових підсилювачів коефіцієнт посилення може досягати тисяч разів.
Однак чим більше необхідна енергія лазерного імпульсу, тим складніше домогтися посилення: потужне лазерне випромінювання просто руйнує матеріал підсилювача. Тому домогтися величезних енергій надзвичайно складно, це вимагає складних і дорогих установок. Один із шляхів уникнути такого руйнування - використовувати середовище, яке по суті вже було зруйноване, - плазму. Але досі, за словами авторів, найкращим результатом посилення в плазмі було збільшення енергії імпульсу з 16 мікроджоулів до 5,6 мільйджоуля.
Автори нової роботи домоглися за допомогою плазми рекордного посилення серед існуючих лазерних систем - на вісім порядків, від сотень пікоджоулів в імпульсі до 100 міліджоулів. За словами вчених, це більш ніж у 100 разів перевищує можливості посилення традиційних приладів, заснованих на твердофазних середовищах.
Експеримент був побудований наступним чином. Воднева плазма формувалася завдяки імпульсам інфрачервоного петаваттного лазера Vulcan. В одному 10-пікосекундному імпульсі містилося до 100 джоулів енергії. Одночасно з цим генерувався другий - дуже слабкий пікосекундний імпульс з сумарною енергією близько сотень пікоджоулів. За рахунок великої енергії накачування основного лазера в плазмі відбувалися нелінійні процеси. Фізики пояснюють, що взаємодія двох імпульсів породжувала хвилі в плазмі, які працювали як дзеркала. В результаті частина енергії накачування переходила в енергію сигнального імпульсу.
Енергія розсіяного в результаті раманівського посилення випромінювання досягала 170 міліджоулів. Однак майже половина цієї енергії, 70 міліджоулів, - результат посилення флуктуацій плазми. Цей недолік не дозволяє повноцінно використовувати такі підсилювачі, однак при меншій потужності лазера накачування частка шумів не така велика. За оцінками авторів, ефективність посилення в установці сягає 10 відсотків (у ранніх роботах - 6,4 відсотка).
Найпотужнішим імпульсним лазером у світі є двопетаватний LFEX, випробуваний у 2015 році. Серед найбільших установок також виділяється Техаський петаваттний лазер (1,2 петавата). За його допомогою фізики перетворюють золото на фонтан антиматерії. Лазери подібної потужності дозволяють створювати плазмові дзеркала і дифракційні решітки.