Американські фізики запропонували спосіб фокусування надінтенсивних лазерних пучків за допомогою голографічних зонних платівок, що формуються з плазми. Вони описали два можливих підходи до цієї проблеми і показали, що в такі оптичні елементи зможуть витримати інтенсивність світла, рівну 1017 ватт на квадратний сантиметр. Дослідження опубліковано в.
Одним з напрямків розвитку лазерної оптики стало зростання інтенсивності лазерного світла. Потужний світловий потік дозволяє вивчати фізику атомів і молекул в екстремальних умовах, а також розганяти частинки, що розглядається фізиками як альтернатива традиційним прискорювачам. Але найзаповітнішою метою цього напрямку оптики стало досягнення критичної межі за інтенсивністю світла, при якій стане можливим народження електрон-позитронних пар прямо з вакууму. Порівняно недавно корейські експериментатори впритул наблизилися до цієї межі, досягнувши інтенсивності 1023 ватт на квадратний сантиметр.
Втім, рекордні інтенсивності, які отримують фізики, досягаються лише при фокусуванні більш слабких пучків в одну пляму. Передача світла в надінтенсивному режимі на будь-яку відстань ускладнена тим, що ми поки не вміємо направляти і фокусувати такі пучки. Традиційна оптика для цього не підходить, оскільки потужне світло моментально зруйнує лінзи і дзеркала з твердих матеріалів. І тут на допомогу може прийти плазма. Її показник заломлення можна зробити менше, ніж у газу, з якого вона створюється, а оскільки це вже іонізована матерія, плазма може витримати набагато більші інтенсивності, ніж твердотільна оптика.
Сьогодні фізики вже мають плазмові аналоги дзеркал, дифракційних решіток, фотонних кристалів, хвильових платівок і багато чого іншого, створюючи їх голографічними методами в газах. Але, незважаючи на досягнутий прогрес, все ще немає хорошого рішення для простого фокусування інтенсивних променів. Існуючі сьогодні плазмові дзеркала і параболічні концентратори витримують лише 1012 ватт на квадратний сантиметр і не підходять для дослідів з великим числом повторень.
Метью Едвардс (Matthew Edwards ^) з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса разом з колегами з США запропонував вирішити проблему фокусування інтенсивних лазерних пучків за допомогою голографічних плазмових зонних платівок. Фізики розглянули два механізми формування дифракційної лінзи і показали, що такий оптичний елемент зможе витримати інтенсивність фокусованого променя, рівну 1017 ватт на квадратний сантиметр.
Зонна платівка - це оптичний елемент для фокусування світла, який використовує для цього явище дифракції (дифракційна лінза). Цим вона відрізняється від звичайної лінзи, яка використовує рефракцію, або дзеркала, що збирає, яке відображає світло. Дія зонної платівки заснована на поділі сферичного хвильового фронту на систему концентричних кілець (зон Френеля), і погашенні половини з них (або зміщення їх фази на ). Радіуси кілець вибираються таким чином, щоб забезпечити конструктивну інтерференцію світла в певних точках на оптичній осі.
Щоб створити аналогічну плазмову структуру, фізики запропонували поєднати випромінювання від двох колінеарних лазерів рівної потужності, сфокусованих у різні точки оптичної осі. В області, де обидва світлових конуси перетнуться, інтенсивність випромінювання через інтерференцію буде залежати від радіусу за законом, аналогічним тому, яким описуються зони Френеля.
Це можна використовувати двома шляхами. Один з механізмів - це просторово розподілена іонізація. Вона виникне, якщо в області перетину помістити газ. У цьому випадку в максимумі інтерференції виникне плазма, чий показник заломлення буде приблизно на одну соту менше, ніж у газу, що залишився недоторканим в областях мінімуму. Інший шлях - це опромінення рівномірної плазми. Пучності інтенсивності будуть виштовхувати електрони в області мінімумів інтерференції за рахунок пондеромоторних сил, і ті потягнуть за собою залишилися іони. У результаті плазма виявиться модульованою за щільністю, що дасть потрібний оптичний ефект.
Фізики якісно досліджували ефективність цього процесу за допомогою теорії зонної пластики і прийшли до висновку, що для потреб фокусування краще будуть підходити товсті дифракційні лінзи, ніж тонкі, оскільки в останніх енергія розподіляється на кілька різних фокусів. Для докладних симуляцій вони використовували алгоритм для вирішення рівняння на огинаючу хвилю з урахуванням нелінійних ефектів, а також метод частинок у комірках. Симуляція лінзи з модульованою іонізацією діаметром 170 мікрометрів і товщиною 2 міліметри, сформованою в азоті двома 10-фемтосекундними імпульсами з енергіями 0,65 міліджоуль, показала, що вона здатна сфокусувати пікосекундний імпульс з енергією 60 мільйджоуль, що прийшов через 0,8 пікосекунд після її формування. Для симуляції пондеромоторної зонної платівки фізики описали перетин двох півпікосекундних імпульсів потужністю 15 терават. У цих розрахунках фокусувався імпульс потужністю 100 терават, що відстає на 1,2 пікосекунду.
У другому випадку лінза продовжила утворюватися навіть після вимикання імпульсів накачування. Це пов'язано з інерцією іонів. Ця ж властивість подарувала такій лінзі велику стійкість. Якщо зонна платівка на основі просторової модуляції іонізації зберегла 65-відсоткову ефективність фокусування при 1014 ватт на квадратний сантиметр, то для пондеромоторного механізму ця величина склала 1017 ватт на квадратний сантиметр.
Потужне лазерне світло не тільки руйнує середовище, в якому рухається, але й саме спотворюється і розсіюється. Раніше деталі цього процесу, що відбувається у водному середовищі, вивчили німецькі фізики.