Современная лазерная техника вышла на совершенно новый уровень, позволив создавать импульсы с интенсивностью, достигающей петаваттного диапазона. Такие сверхмощные и ультракороткие импульсы используются в самых передовых исследованиях физики, включая взаимодействие света и материи в экстремальных условиях, создание новых источников ускорения частиц и разработки в области термоядерного синтеза. Но вместе с этим возникла острая необходимость в точных диагностических методах, способных полноценно охарактеризовать структуру лазерных импульсов, включая не только их пространственные и временные параметры, но и сложную векторную природу электромагнитного поля. Традиционные методы измерения оказываются недостаточными, поскольку они либо требуют многократных замеров, что невозможно при низких частотах повторения петаваттных лазеров, либо не позволяют получить полной информации о спатиотемпоральных связях и поляризации импульса. Решение данной задачи было предложено в виде инновационной техники, сочетающей оптическую систему с программным обеспечением на основе нейронных сетей — метод RAVEN.
Его ключевой особенностью является возможность единовременного измерения полного пространственно-временного векторного поля лазерного импульса за один выстрел, что является принципиальным прорывом в области лазерной метрологии. Такая однокадровая диагностика избавляет от необходимости усреднения многократных измерений, что открывает путь для изучения быстрых процессов и динамики внутри лазерных систем с максимальной точностью и скоростью. Основные технические аспекты метода базируются на аккуратном использовании принципов Фурье-оптики, теоремы Винера–Хинчина, а также особенностей спектрального и поляризационного распространения лазерного света. Большое внимание уделяется сужению объема данных, исходя из ограничений рассеяния энергии лазерного импульса в фокусе. В поперечной плоскости используемая оптика компенсирует слишком высокую размерность задачи, кодируя сложную четырехмерную информацию (две пространственные координаты, частота и поляризационная компонента) на двумерный детектор.
Оптическая часть установки состоит из нескольких ключевых элементов. Первым этапом происходит разделение пучка с использованием биаксиального оптического элемента, который вводит управляющую задержку между различными компонентами поляризации. Далее микролинзовая матрица выполняет локальное измерение угловых спектров полей, что позволяет получить градиенты фазовых фронтов. Следующий элемент — дифракционная решетка — обеспечивает спектральное пространственное кодирование, создавая разнонаправленные порядки дифракции, несущие информацию о спектре и фазе сигнала. Камера с матрицей поляризационных фильтров фиксирует распределение интенсивности для различных поляризаций одновременно, что дает полную векторную информацию.
После оптического кодирования данных наступает этап программной обработки. Применение современных методов машинного обучения, а именно глубоких нейронных сетей, дает возможность быстро и с высокой точностью восстанавливать исходное векторное поле. Нейросети не только ускоряют получение результата, выполняя реконструкцию менее чем за 0,1 секунды, но и обеспечивают оценку неопределенности измерений, что существенно повышает доверие к полученным данным. Алгоритмы учитывают статистику ошибок, помогают отфильтровывать шум и предсказывать достоверность результата для каждого локального участка пространства и спектра. Экспериментальная реализация технологии была проведена на установке ATLAS-3000 – одном из крупнейших в Европе петаваттных лазерных комплексов.
Там были достигнуты параметры лазерных импульсов с энергией до 35 Дж и длительностью порядка 30 фемтосекунд. Система измерений показала свою надежность и позволила наблюдать не только усредненные характеристики, но и динамические изменения параметров отдельных импульсов, выявляя флуктуации и мельчайшие пространственно-временные связи, ранее недоступные для анализа. В частности, удалось определить влияние таких эффектов, как сдвиги фронта пульса и исказившая волновой фронт кривизна, а также их связь с параметрами накачки лазера и тепловыми эффектами в усилительных средах. Особое внимание было уделено анализу поляризационной структуры импульсов с использованием векторного подхода. С помощью RAVEN была успешно изучена характеристика лазерных пучков с орбитальным угловым моментом, оптических вихрей с характерной «пончикоподобной» формой интенсивности.
Возможность единовременного измерения их сложной пространственно-временной и спектральной структуры с полным учётом поляризации открывает перспективы применения таких пучков в ускорительной физике и генерации новых форм излучения. В результате, введение однокадровой спатиотемпоральной векторной диагностики петаваттных лазерных импульсов позволит значительно расширить понимание процессов, происходящих в области взаимодействия ультракоротких и супер интенсивных световых импульсов с веществом. Наличие полного набора данных по импульсам, включая оценки точности, позволит не только совершенствовать теоретические модели и численные симуляции, но и оптимизировать работу лазерных установок в режиме реального времени, повышая устойчивость и эффективность экспериментов. Перспективы применения метода выходят далеко за рамки классической лазерной физики. Они включают разработку новых схем лазерного ускорения частиц, улучшение качества источников рентгеновского излучения и генерацию высоких гармоник, а также продвижение к практическим решениям в области управляемого термоядерного синтеза.
Возможности быстрой диагностики и управления как пространственными, так и временными параметрами, включая поляризацию, открывают новые горизонты в контроле сложных световых структур. В заключение, инновационная методика RAVEN представляет собой масштабный шаг в развитии лазерной диагностики, предоставляя уникальный инструмент для изучения и управления сложным поведением ультраинтенсивных лазерных импульсов. Однокадровое измерение полного пространственно-временного векторного поля позволяет не только значительно сэкономить время проведения экспериментов, но и открыть новые возможности для фундаментальных исследований, ускоряя прогресс в области лазерной и высокоэнергетической физики.
