Тенденции взаимодействия лазерного излучения с веществом, структурированный свет и его формирование 

Тенденции взаимодействия лазерного излучения с веществом, структурированный свет и его формирование

Структурированный свет относится к лазерным пучкам, которые можно манипулировать для получения неоднородного распределения интенсивности, фазы или поляризации. В отличие от традиционных гауссовых пучков, структурированный свет может принимать различные формы, такие как бесселевы пучки, пучки Лагерра-Гаусса и вихревые пучки. Каждый из них обладает уникальными свойствами, влияющими на его взаимодействие с веществом, а при достаточно высокой интенсивности — и с плазмой. Например, по сравнению с гауссовыми пучками, бесселевы пучки сохраняют свою интенсивность на больших расстояниях, что обеспечивает минимальную дифракцию при прохождении через плазму. Это свойство позволяет формировать длинные плазменные каналы, направляющие интенсивные лазерные пучки на большие расстояния. Кроме того, вихревые пучки имеют кольцевое распределение интенсивности. При взаимодействии с тонкими фольговыми мишенями вихревые пучки могут уменьшать расходимость протонных пучков. В данной статье рассматриваются принципы и перспективы генерации структурированного света.

Структурированный свет генерируется путем преднамеренного манипулирования различными свойствами лазерных импульсов для создания пространственно, временно или пространственно-временно неоднородных распределений интенсивности, фазы или поляризации. Амплитуда и фаза неразрывно связаны во время распространения, влияя на то, как импульс развивается в пространстве и времени. Такие устройства, как решетки, обычно используются для разделения света на его спектральные компоненты, регулировки фазы и амплитуды каждого компонента в частотной области и, в конечном итоге, их рекомбинации для формирования сформированного импульса. Управление пространственной фазой и амплитудой обычно достигается с помощью статической фазовой пластины. Пространственно-временные световые поля обычно различаются на основе того, являются ли их пространственные и временные компоненты разделимыми. Разделимые пространственно-временные лучи могут быть математически представлены как произведение пространственной функции и временной функции. Неразделимые пространственно-временные лучи возникают при распространении разделимого пространственно-временного луча в пространстве. На рисунке 1 показано преобразование гауссова пучка из разделяемого пространственно-временного пучка в неразделяемый пространственно-временной пучок в процессе распространения. Прохождение гауссова пучка через дифракционную решетку или призму приводит к пространственной дисперсии и наклону пространственно-временного распределения пучка по осям x, t. Управляя пространственно-временной спектральной корреляцией между топологическим зарядом импульса и угловой частотой, можно конструировать винтовые пространственно-временные пучки. Эти винтовые волновые фронты имеют центральные фазовые сингулярности и могут оказывать вращающий момент на вещество, открывая новый способ управления взаимодействиями света с веществом.

Рисунок 1. Разделяемые и неразделяемые пространственно-временные пучки. (a) Разделяемые гауссовы импульсы. (b–c) После распространения в течение определенного периода времени

Технологии структурированного света можно разделить на три основные категории: фазовая голография, поляризационная оптика и пространственно-временное формирование. Фазовая манипуляция, в частности формирование орбитального углового момента, является типичным примером структурированного света, где топологические свойства и сохранение орбитального углового момента играют решающую роль. Генерация вихревых пучков высокой мощности требует учета потока лазерного излучения, длительности импульса и апертуры пучка. Для низкого потока и малой апертуры пучка обычно используются спиральные фазовые пластины, пары цилиндрических линз и пространственные модуляторы света. Однако с увеличением мощности лазера эти устройства могут быть повреждены из-за увеличения размеров пучка, что требует использования оптических компонентов с высоким порогом повреждения. Изготовление спиральных фазовых пластин с большой апертурой, высоким порогом повреждения и равномерными фазовыми характеристиками остается технически сложной и дорогостоящей задачей. Спиральные фазовые зеркала, как отражающая альтернатива пропускающим спиральным фазовым пластинам, все чаще используются в высокоинтенсивных лазерных системах со сверхкороткими импульсами для генерации орбитального углового момента с чрезвычайно высокими квантовыми числами. В отличие от спиральных фазовых пластин, спиральные фазовые зеркала работают под косыми углами падения и могут быть размещены на пути сжатых лазерных импульсов. Генерируя высокоинтенсивные оптические вихри, они преодолевают ограничение низкого порога лазерно-индуцированного повреждения (LIDT), характерное для спиральных фазовых пластин. Заметным применением является изготовление внеосевых спиральных фазовых зеркал с использованием электронно-лучевого испарения для нанесения слоев титана и золота на полированные стеклянные подложки. Эти зеркала могут эффективно преобразовывать гауссовы пучки ближнего поля в высококачественные оптические вихревые пучки с топологическими зарядами 1 и 2. Управление поляризацией в мощных лазерах использует жидкокристаллические устройства и поляризаторы на основе дигидрофосфата калия (KDP) для достижения манипулирования состоянием поляризации. Пространственно-временное формирование, мощный инструмент для точного управления сверхбыстрыми лазерами, использует кривизну фронта импульса для динамического перемещения фокальной точки в пространстве с контролируемой скоростью, что позволяет настраивать энерговыделение в управляемой плазме. Новый метод широкополосного управления оптическими пружинами позволяет генерировать спиральные импульсы по круговым траекториям в пространственно-временных пучках, орбитальный период которых можно настраивать, манипулируя пространственно-временными спектральными корреляциями.

Рисунок 2. Синтез пространственно-временной световой пружины. Входной широкополосный импульс дифрагируется на полутоновом аксиконе, распространяясь в дальнем поле в виде концентрических кольцевых пучков разных цветов. С помощью настраиваемой голограммы каждая частота связывается с различным топологическим зарядом, что приводит к пространственно-временным спектральным корреляциям. Рассеянные импульсы затем рекомбинируются, формируя одну или несколько световых пружин.

Из-за ограничений современных оптических технологий в плане полного управления сверхкороткими импульсами, пространственно-временное формирование остаётся областью неисследованных и нерешённых задач. Достижение комплексного векторного управления остаётся сложной задачей и требует дальнейшего развития материалов и адаптивной оптики. Однако достижения в области структурированного света и сверхбыстрого формирования импульсов имеют решающее значение для развития физики мощных лазеров и плазмы. Решение этих задач открывает значительные возможности для изучения новых лазерно-плазменных взаимодействий.