13 июн 2023 5 060

Сверхкороткие световые импульсы в форме пружины открывают новый взгляд на фотонику

Международная команда исследователей во главе с Марко Пиккардо использовала сверхбыструю оптику и структурированный свет для синтеза нового семейства пространственно-временных световых пучков, так называемых световых пружин.

Исследование было проведено в сотрудничестве между IIT, Миланским политехническим университетом и Техническим университетом Лиссабона. Это открытие обладает огромным потенциалом для дальнейшего применения в фотонике в областях, где применение обычного света неэффективно. А именно в: микроскопическом анализе с высокой временной точностью, лазерно-плазменном ускорении и оптической связи на больших расстояниях в безвоздушном пространстве.

С помощью сверхбыстрой оптики можно сокращать или увеличивать длительность ультракоротких оптических импульсов: от нескольких фемтосекунд до тысячных миллиардных долей секунды. На нынешнем этапе развития науки человек способен создавать сложные импульсы с помощью технологии пульсообразования.

В основе данной технологии лежит концепция о том, что короткие лазерные импульсы состоят из широкого спектра цветов. Ученые разделяют импульс на составляющие его цвета, которые затем обрабатываются по отдельности и собираются заново, в результате чего получается новая форма лазерного импульса. Но пульсообразование позволяет манипулировать только временной составляющей импульса, когда другой набор методов, известный как формирование волнового фронта, позволяет придать свету пространственную структуру.

Ученые научились сочетать оба метода для одновременного формирования света в пространстве и времени, соединяя сверхбыструю оптику и структурированный свет для совершенно новых пространственно-временных применений.

Смена модели пространственно-временного формировании света

В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, Пиккардо и его коллеги представили новейшее открытие, меняющее всю парадигму пространственно-временного формирования света. Отойдя от стандартного способа разделения импульса по цветовой палитре, данные исследователи использовали особый тип дифракционной решетки с круговой симметрией, что привело к созданию кругловой цветовой радуги.

Подобный опыт каждый может попробовать у себя дома: посветите фонариком на компакт-диск и сделайте снимок камерой телефона. Вы получите круглую радугу цветов прямо на диске. Ученые заменили фонарик ультракоротким лазерным импульсом, а компакт-диск — микроструктурированным дифракционным устройством, изготовленным на нано-производстве. Следующая часть эксперимента заключается в использовании продвинутых голограмм для распределения множеств цветов света в различные оптические вихри, имеющие форму штопора или пружины.

В результате получается новое семейство пространственно-временных световых пучков, которые развиваются в ультракоротком фемтосекундном масштабе времени с искривленной и широко адаптируемой структурой света. Это открывает беспрецедентные возможности проектирования в фотонике, требующие пересмотра и определения многих спектральных и структурных компонентов

— Марко Пиккардо.

Широкополосный характер нового семейства световых лучей ставит новые задачи для их характеристики, которые команда ученых уже смогла решить. Они разработали специальную восстановительную технику под названием гиперспектральная голография, обеспечивающую полную томографию сложных пространственно-временных структур.

Наша методика, сочетающая голографию со спектроскопией и преобразованием Фурье, позволяет полностью охарактеризовать пространственно-временной профиль сложных пучков света, что открывает возможности для радикально новых применений при изучении взаимодействий света и вещества

— Джулио Черулло, профессор Миланского политехнического университета и соавтор исследования.

Адаптировав свойства новых световых пружин, команда ученых продемонстрировала новые поразительные возможности своей техники для создания пространственно-временных характеристик фотонов. Специальная, подготовленная учеными демонстрация показывает, как две такие пружины «танцуют» вместе в пространстве и времени.

Мы обнаружили чрезвычайно интересную физику, использующую эти лучи, которая может привести нас к созданию совершенно нового поколения компактных ускорителей и источников света в плазме. Этот метод очень интересен, потому что он должен перенести различные теоретические концепции в лабораторию и привести к значительному прогрессу в физике лазерной плазмы

— Хорхе Виейра, профессор Технического университета Лиссабона и соавтор исследования.

Теперь, когда стало возможным синтезировать такие лучи в лаборатории, следующим шагом для ученых станет их применение в экспериментах с лазерной плазмой.

Это действительно сложная цель, но возможности производства нанофотоники в INESC MN в Лиссабоне и группы по исследованию плазмы в Técnico создают идеальную экосистему для проведения этого амбициозного исследования. Объединение этих передовых пространственно-временных лучей с интенсивными нелинейными взаимодействиями лазера с веществом может иметь важные фундаментальные и технологические последствия для всей науки оптики и физики

— Марко Пикардо.