Szkło by się spaliło. Sterują laserem za pomocą plazmy

Najmocniejsze lasery na świecie mają pewien jeden, niezwykle banalny problem: są po prostu za mocne dla własnej optyki. Zwykłe szkło, kryształy i klasyczne elementy optyczne mogą nie wytrzymać impulsów o ekstremalnym natężeniu. Właśnie dlatego badacze coraz częściej patrzą w stronę materiału, którego nie da się już spalić w tradycyjnym sensie. W stronę plazmy.

Nowa praca przygotowana przez zespół fizyków z Chin udowadnia, jak za pomocą namagnesowanej plazmy można generować i sterować spolaryzowanym impulsem laserowym w średniej podczerwieni. Chodzi o jedną z najważniejszych przeszkód w rozwoju laserów wysokich mocy: jak kontrolować światło, którego zwykła optyka po prostu nie znosi.

W klasycznej optyce światło kontroluje się za pomocą soczewek, zwierciadeł, pryzmatów, filtrów, kryształów i płytek falowych. Taka płytka falowa to element, który zmienia polaryzację światła, czyli sposób, w jaki drga pole elektryczne fali elektromagnetycznej. Dla wielu eksperymentów to podstawowy parametr. Polaryzacja decyduje o tym, jak światło oddziałuje z materią.

Prawdziwy problem zaczyna się jednak wtedy, gdy impuls lasera jest ekstremalnie intensywny. Materiałowy element optyczny ma próg uszkodzenia. Po jego przekroczeniu zaczyna się nagrzewać, jonizować, pękać albo zmieniać właściwości. Innymi słowy: zanim zdążymy elegancko obrócić polaryzację, element może zostać zniszczony.

To szczególnie dotyczy laserów relatywistycznych, czyli takich, których pole elektryczne jest tak silne, że elektrony w nim poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. W takich warunkach nasze wyobrażenia o optyce po prostu przestają działać. Trzeba budować narzędzia, które same są odporne na ekstremum.

Plazma nadaje się do tego lepiej niż szkło, bo jest już zjonizowanym gazem. Składa się z elektronów i jonów, więc bardzo silne pole elektromagnetyczne nie psuje jej tak, jak psuje stały materiał. Można ją wzbudzać, kształtować i wykorzystywać jako dynamiczne środowisko optyczne.

Jak pisaliśmy w tekście: Prąd płynie, światło przechodzi. Polska elektroda omija wielki problem, w nowoczesnej fotonice czasem największy przełom nie polega na samym świetle, ale na tym, jakimi materiałami i strukturami potrafimy je prowadzić. W przypadku ultramocnych laserów stawką jest już nie tylko precyzja, ale przetrwanie elementu optycznego.

Badacze zaproponowali coś, co można nazwać plazmową płytką falową. W klasycznej wersji płytka falowa wykorzystuje fakt, że światło spolaryzowane w różnych kierunkach przechodzi przez materiał z różną prędkością fazową. Powstaje przesunięcie fazy między składowymi fali, a z niego bierze się zmiana polaryzacji.

Tu zamiast kryształu pojawia się gazowa plazma w zewnętrznym polu magnetycznym. Laser wchodzi do poprzecznie namagnesowanej plazmy, a jego fala rozkłada się na dwie składowe: jedną równoległą do pola magnetycznego i drugą prostopadłą. Te składowe nie zachowują się identycznie. Widzą inne właściwości ośrodka, przez co zaczynają gromadzić różnicę fazy.

Efekt jest podobny do działania klasycznej optyki, ale nośnik jest zupełnie inny. To nie kawałek szkła odpowiada za zmianę polaryzacji, tylko namagnesowana plazma i zachodzące w niej zjawiska relatywistyczne.

W zaproponowanym układzie polaryzację można stroić od liniowej, przez eliptyczną, aż po kołową. Polaryzacja liniowa oznacza, że pole elektryczne fali drga w jednej płaszczyźnie. Eliptyczna oznacza, że koniec wektora pola zakreśla elipsę. Kołowa jest szczególnym przypadkiem, w którym zakreśla okrąg. Dla fizyki wysokich pól to różnica fundamentalna, bo różne polaryzacje inaczej przyspieszają elektrony, inaczej oddziałują z plazmą i mogą dawać inne źródła promieniowania.

W symulacjach wykorzystano impuls lasera o początkowej długości fali 1 µm. Po przejściu przez zaprojektowany układ plazmowy powstawał impuls w średniej podczerwieni, skoncentrowany wokół długości fali 8,3 µm. Średnia podczerwień jest szczególnie cenna, bo wiele cząsteczek ma w tym zakresie swoje charakterystyczne odciski palców. Właśnie dlatego takie światło przydaje się w spektroskopii, diagnostyce, badaniach chemicznych i fizyce ultrakrótkich procesów.

Mechanizm przesunięcia długości fali opiera się na tzw. spowolnieniu fotonów. Nie chodzi o to, że pojedynczy foton dosłownie hamuje jak samochód na drodze. W opisie falowym impuls przechodzący przez zmieniający się ośrodek plazmowy może zostać przesunięty ku niższym częstotliwościom, czyli ku dłuższym falom. Oznacza to przejście z bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni.

Równocześnie w plazmie powstaje tzw. fala plazmowa, czyli zbiorowe zaburzenie elektronów. Taki ślad za impulsem lasera można porównać do fali za łodzią, choć skala i fizyka są oczywiście zupełnie inne. To właśnie w tej dynamicznej strukturze da się uwięzić i przekształcić impuls światła.

W symulacjach powstał impuls trwający około 66,4 fs. Femtosekunda to milionowa część miliardowej części sekundy. To absurdalnie krótki czas, ale dla nauki o ultrakrótkich zjawiskach jest to codzienny język. Takimi impulsami bada się ruch elektronów, gwałtowne zmiany w materii i procesy, które dzieją się zbyt szybko dla zwykłej aparatury.

Jak pisaliśmy w tekście: Nowy laser rentgenowski odpalony. Strzela milionem impulsów na sekundę, współczesne wielkie źródła światła pozwalają podglądać materię w skalach czasu i energii, które jeszcze niedawno były poza zasięgiem. Nowe metody kontroli impulsów laserowych dokładają do tego kolejne narzędzie: nie tylko widzieć szybciej, ale też lepiej przygotować samo światło.

Najciekawsza część nowego pomysłu polega na tym, że właściwości impulsu można stroić. Badacze pokazali, że na polaryzację wygenerowanego światła wpływa zarówno kąt polaryzacji lasera wejściowego, jak i siła zewnętrznego pola magnetycznego.

To oznacza, że plazma nie jest tylko materiałem zastępczym dla szkła. Może być aktywnym elementem optycznym. Zmieniając parametry pola magnetycznego i geometrię impulsu, można wpływać na to, jaki impuls wyjdzie z układu. W klasycznej optyce wymienialibyśmy elementy, obracali kryształy albo ustawiali kolejne układy. Tutaj część tej kontroli przenosi się do samego ośrodka plazmowego.

Symulacje wskazały, że da się uzyskać niemal kołowo spolaryzowany impuls w średniej podczerwieni. To ważne m.in. dla akceleracji laserowo-plazmowej, czyli przyspieszania cząstek za pomocą fal w plazmie. Taki kierunek może kiedyś prowadzić do bardziej kompaktowych źródeł elektronów, promieniowania i narzędzi badawczych, które dziś wymagają wielkich instalacji.

Jak pisaliśmy w tekście: W końcu okiełznali fotony. Szykujcie się na szybszą optykę, kontrola światła w nowoczesnych układach coraz częściej przypomina inżynierię informacji, a nie zwykłe odbijanie promienia od lusterka. Tutaj widać to jeszcze mocniej, bo sterowanie obejmuje długość fali, polaryzację i ekstremalnie krótki czas trwania impulsu.

Pamiętajmy, że nie jest to opis gotowego urządzenia, które zaraz trafi do laboratorium i zacznie zastępować klasyczne układy optyczne. Na razie mówimy o wynikach symulacji trójwymiarowych typu particle-in-cell. To sprawdzona i kluczowa metoda w fizyce plazmy, ale wciąż pozostajemy na etapie obliczeń, a nie działającego sprzętu.

Particle-in-cell oznacza, że symulacja śledzi zachowanie dużej liczby reprezentatywnych cząstek oraz pól elektromagnetycznych. Dzięki temu można badać zjawiska, które są zbyt szybkie, zbyt małe albo zbyt ekstremalne, by łatwo je zmierzyć bezpośrednio. To jednak nie zwalnia z eksperymentu. Dopiero laboratorium pokaże, ile z takiej koncepcji da się zrealizować w stabilny i powtarzalny sposób.

Przeczytaj także:

Wyzwań przed naukowcami jest teraz naprawdę sporo. Trzeba przygotować odpowiedni profil gęstości plazmy, utrzymać pole magnetyczne, zsynchronizować ultrakrótki impuls i uniknąć niestabilności, które w realnym układzie lubią psuć eleganckie modele. Do tego dochodzi diagnostyka: trzeba jeszcze zmierzyć tak krótki i intensywny impuls bez zniszczenia informacji o nim.

Mimo to sam kierunek jest naprawdę obiecujący. W fizyce wysokich pól od dawna wiadomo, że klasyczne materiały szybko dochodzą do swoich granic. Jeśli jednak plazma może działać jak zwierciadło, modulator, rotator czy płytka falowa, to nagle pojawia się zupełnie nowy rodzaj optyki. Taki, który nie musi się cofać tam, gdzie zwykłe szkło już po prostu nie daje rady.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI