Физики создали газовую линзу для изменения формы экстремального ультрафиолетового излучения

Учёные из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге использовали атомарный газ в качестве своеобразной сверхбыстрой линзы для управления интенсивными лазерными импульсами в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Созданный газовый оптический элемент позволил изменять пространственную форму и спектральный состав излучения на чрезвычайно коротких временных масштабах.

Обычные линзы, зеркала и призмы позволяют направлять, фокусировать и разделять видимый свет. Однако для излучения экстремального ультрафиолетового диапазона такие оптические элементы подходят значительно хуже. Высокоэнергетические фотоны XUV-диапазона сильно поглощаются обычными материалами, поэтому создание инструментов для управления такими пучками остаётся сложной задачей.

Развитие лазеров на свободных электронах позволило получать чрезвычайно короткие и яркие импульсы XUV-излучения. Длины волн в этом диапазоне составляют от нескольких до нескольких десятков нанометров, а длительность импульсов может достигать аттосекунд. Одна аттосекунда равна 10⁻¹⁸ секунды, что позволяет исследовать процессы, происходящие на уровне атомов и молекул, включая движение электронов.

Управление формой и спектром таких импульсов представляет большой интерес для современной физики. В этом диапазоне энергий находятся многие атомные переходы, и возможность избирательно воздействовать на них может открыть новые способы управления химическими реакциями, а также создания сверхбыстрых квантовых технологий.

Международная группа исследователей под руководством учёных из Института ядерной физики Общества Макса Планка решила использовать для управления светом не твёрдое оптическое устройство, а атомарный газ. При прохождении интенсивного XUV-лазерного импульса через оптически плотную среду атомы быстро переходят между различными энергетическими состояниями.

Этот квантовый процесс связан с так называемыми осцилляциями Раби, при которых электроны быстро переходят между двумя квантовыми уровнями под действием внешнего электромагнитного поля. При этом интенсивность лазерного пучка максимальна в центре и уменьшается по направлению к его краям, поэтому взаимодействие света с атомами оказывается неодинаковым в разных частях пучка.

Учёные показали, что такое распределение интенсивности вызывает изменение показателя преломления газа. Наиболее сильно этот эффект проявляется вблизи частоты, соответствующей определённому атомному резонансу. В результате взаимодействие интенсивного света с атомами фактически превращает газовую среду в динамический оптический элемент, способный работать подобно линзе или призме.

По словам первого автора исследования доктора Ю Хэ, газ сильнее отклоняет резонансное излучение, соответствующее определённому электронному переходу, чем другие частоты. Благодаря этому изменяется не только направление распространения света, но и его спектральная структура.

Эксперимент провели на установке лазера на свободных электронах FLASH в немецком исследовательском центре DESY в Гамбурге. Учёные сфокусировали интенсивные XUV-лазерные импульсы в газовой ячейке, заполненной гелием. Пиковая энергия фотонов составляла 21,2 электронвольта и соответствовала энергии основного перехода электрона в атоме гелия между состояниями 1s и 2p.

Результат зависел от интенсивности исходного лазерного импульса. При относительно низкой интенсивности излучение в области атомного резонанса поглощалось газом, однако пространственная форма пучка практически не изменялась.

При увеличении интенсивности лазерного импульса и давления газа эффект становился значительно сильнее. Пучок отклонялся от первоначального направления распространения, причём особенно заметно это происходило для двух энергий фотонов, расположенных немного ниже и выше энергии атомного резонанса.

В результате нелинейного взаимодействия света с газом и последующего распространения импульса через среду в спектре возникала характерная структура с двумя максимумами. Таким образом, исследователям удалось одновременно изменить пространственную структуру XUV-излучения и перераспределить его спектральный состав.

Созданная система представляет собой временно изменяющуюся линзу, способную направлять и формировать высокочастотное лазерное излучение на сверхкоротких временных масштабах. По мнению авторов работы, этот подход поможет создать новые оптические элементы для управления XUV- и рентгеновским излучением.

Такие технологии могут найти применение в новых методах спектроскопии, позволяющих исследовать процессы на атомном уровне, а также в управлении химическими реакциями с помощью специально сформированных световых импульсов. В дальнейшем подобные методы могут оказаться полезными и для разработки сверхбыстрых квантовых систем, работающих на характерных для атомов пространственных и временных масштабах.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.