Субрелятивистская и релятивистская нелинейная оптика

Физика экстремально высоких электромагнитных полей позволяет разрешить ряд принципиальных вопросов современного построения фундаментальной науки. Основные направления экспериментальных исследований связаны с реализацией взаимодействия ускоренных элементарных частиц, что может быть достигнуто в ускорителях или в поле электромагнитных импульсов. Современный уровень лазерных технологий позволяет в лабораторных условиях достигать интенсивностей светового поля, способных ускорять электроны до скоростей, близких к скорости света, и, таким образом, реализовывать релятивистские режимы взаимодействия излучения с веществом, порог наблюдения которых составляет ≈ 10¹⁸ Вт/см²  при использовании импульсов ближнего и видимого диапазонов.

В результате  взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов релятивистской  интенсивностей с веществом реализуется широкий класс физических эффектов, представляющих большой интерес как для фундаментальной науки, так и для множества практических приложений. В этом отношении можно привести пример взаимодействия сверхмощных лазерных импульсов с плазмой: электромагнитное поле позволяет  ускорить электроны до энергий порядка нескольких МэВ и выше, нелинейные релятивистские осцилляции поверхности плазмы приводят к генерации оптических гармоник высокого порядка, формируя сверхуширенный суперконтинуум, простирающийся от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона. Во временном представлении такой суперконтинуум представляет собой цуг аттосекундных импульсов (1 ас = 10^-18 с) – уникального инструмента для зондирования сверхбыстрой динамики на субатомном масштабе. Релятивистские электронные пучки выступают в качестве источника терагерцового излучения с рекордно высокой яркостью, представляющего большой интерес в медицине, астрономии, и многих других областях.

Экспериментальные и теоретические исследования субрелятивистских и релятивистских эффектов взаимодействия мощных лазерных импульсов реализуются на базе субпетаватного Ti:Sapphire лазера «Курчатовский» (НИЦ «Курчатовский институт») и тераваттной лазерной системы среднего ИК диапазона (Российский Квантовый Центр). Сочетание используемой экспериментальной техники позволяет анализировать вопросы изменения характера нелинейно-оптических эффектов при использовании лазерных импульсов от ближнего до среднего ИК диапазонов. Законы масштабирования предсказывают значительное снижение требований к интенсивности излучения, необходимой для реализации релятивистских эффектов в среднем ИК диапазоне. В частности, для импульсов с длиной волны порядка 4 мкм оценки предсказывают 25-кратное понижение величины релятивистской интенсивности по сравнению со случаем 800-нм импульсов. С использованием уникального лазерного источника сверхкоротких импульсов среднего ИК диапазона был впервые для данной спектральной области продемонстрирован релятивистский режим взаимодействия излучения с плазмой. Импульсы с центральной длиной волны 3.9 мкм, длительностью 80 фс и энергией 25 мДж, сфокусированные на поверхности плазменной мишени, имели интенсивность ≈ 10¹⁷ Вт/см². Это значение интенсивности, будучи низким по стандартам релятивистской оптики ближнего ИК диапазона, оказалось достаточным для генерации оптических гармоник вплоть до 14-го порядка, спектр и поперечная структура которых обладает ключевыми особенностями, характерными для релятивистского режима.

Для полномасштабного моделирования взаимодействия импульсов с плазмой используется многомерное суперкомпьютерное моделирование методом PIC (particle-in-cell). В этом методе происходит совместный расчет электромагнитных полей путем решения уравнений Максвелла и интегрирование релятивистских уравнений движения макрочастиц – совокупностей большого числа электронов и ионов. Ресурсоемкие расчеты, требующие эффективного распараллеливания и сотни вычислительных ядер, выполняются нашей группой на суперкомпьютерных комплексах МГУ «Ломоносов» и «Ломоносов-2».

При интенсивностях излучения, меньших релятивистской, также реализуется генерация оптических гармоник за счет трансформации в электромагнитное излучение плазменных волн, возбуждаемых брюнелевскими электронами. Спектр гармоник в субрелятивистском режиме отражает пространственную структуру границы плазмы. Переход к излучению среднего ИК диапазона приводит к значительному увеличению числа оптических гармоник по сравнению с излучением ближнего ИК диапазона. PIC-моделирование при параметрах лазерного импульса и плазмы, близких к экспериментальным, показывает, что плазма излучает аттосекундные импульсы с длительностью порядка 750 аттосекунд. Также в наших экспериментах продемонстрирован необычный эффект – зависимость частоты отсечки спектра гармоник от величины чирпа лазерного импульса. Данное явление обусловлено тем, что чирп импульса определяет временную структуру цуга аттосекундных импульсов, являясь, таким образом, прецизионным зондом коллективной электронной динамики.

Анализ электронных траекторий в ходе взаимодействия лазерного импульса с плазмой показывает, что часть высокоэнергетичных электронов покидает плазму и движется в вакууме вместе с отраженным от ее поверхности лазерным импульсом. Эти электроны, движущиеся с околосветовыми скоростями в виде цуга сверхкоротких импульсов, оказываются синхронизированными с оптическими аттосекундными импульсами, образуя необычное связанное состояние света и вещества на сверхбыстрых временных масштабах. Испытывая вакуумное ускорение, эти электроны непрерывно набирают энергию порядка нескольких МэВ. PIC-моделирование показывает, что такие диады оптических и электронных импульсов могут быть сформированы источниками импульсов среднего ИК диапазона, позволяя проводить исследования в схеме накачка-зондирование с беспрецедентно высоким временным разрешением.