Физики установили рекорд лазерного усиления

Технологии усиления лазерных импульсов широко используются в телекоммуникационных системах, а также оптических экспериментах. Высокоинтенсивное излучение помогает, в частности, воссоздавать процессы и условия внутри звезд, изучать рождение электрон-позитронных пар. Несмотря на разные подходы к реализации, в основе лазерного усиления лежит общий механизм. Первоначально сигнальный импульс взаимодействует со средой, имеющей избыток энергии (например, возбужденными атомами оптоволокна). Затем генерация фотонов средой синхронизируется с фотонами импульса, и дополнительные кванты усиливают последний. В случае полупроводниковых усилителей сигнал в результате может усиливаться в тысячи раз.

Однако с ростом интенсивности излучения возможности для усиления ограничиваются: мощный поток фотонов деформирует материал усилителя. Поэтому разработка высокоэнергетических систем требует применения дорогих и сложных в эксплуатации установок. В качестве альтернативы рассматривается использование в роли среды плазмы. Поскольку она представляет собой ионизированный (фактически «разрушенный») газ, фактор прочности материала нивелируется. Тем не менее, до сих пор прототипам плазменных усилителей лазерного излучения удавалось увеличить энергию импульса лишь в 350 раз — с 16 микроджоулей до 5,6 миллиджоуля. Авторы новой работы описали эксперимент, в котором усилили сигнал на восемь порядков — с сотен пикоджоулей до 100 миллиджоулей.

Эксперимент заключался в следующем. На первом этапе, с помощью 10-пикосекундных лазерных импульсов энергией до 100 джоулей, ученые формировали водородную плазму. Параллельно они генерировали более слабый импульс с энергией около сотен пикоджоулей. Из-за высокой энергии первого лазера в плазме возникали нелинейные процессы: взаимодействие импульсов порождало в среде волны, отражающие часть из них. В результате разный объем энергии переходил к сигнальному импульсу. С флуктуацией плазмы между тем оказалось связано порядка половины этого объема, что ограничивает применение технологии. По словам ученых, уменьшение мощности основного лазера позволяет снизить долю шумов. Эффективность усиления они оценили в 10 процентов.

Подробности работы представлены в журнале Scientific Reports.

Сейчас для передачи данных по оптоволоконным сетям используется, как правило, полупроводниковый лазер S-DFB, который был разработан в 1970-х годах. В 2014 году стало известно, что исследователи из Калифорнийского технологического института испытали модификацию системы: помимо полупроводника она предполагает применение кремниевого слоя, практически не поглощающего фотоны. За счет сужения диапазона частот (примерно в 20 раз) обеспечивается рост пропускной способности канала. Наиболее мощным на сегодняшний день импульсным лазером выступает LFEX (Laser for Fast Ignition Experiments) — о его создании японские физики объявили в 2015 году. Установка может генерировать пикосекундные импульсы мощностью в два петаватта.