Ультраинтенсивные лазерные системы относятся к числу самых впечатляющих достижений современной фотоники. Их способности создавать лазерные импульсы с мощностью в пета-ваттах (1015 ватт) открывают двери к изучению самых фундаментальных процессов взаимодействия света и материи на субфемтосекундных масштабах и экстремальных энергетических уровнях. При достижении таких рекордных интенсивностей электроны колеблются с релятивистскими скоростями в пределах одного оптического цикла, что позволяет исследовать состояния вещества и энергии, недоступные ранее. Однако несмотря на успехи в создании и генерации таких импульсов, точное их измерение и полная характеристика всегда оставались непростой задачей, способной ограничить развитие прикладных и фундаментальных исследований. Это связано с высокой сложностью полных спатиотемпоральных измерений, которые включают в себя не только пространственное распределение света, но и его временную динамику и векторные свойства электрического поля, включая поляризацию.
Точное понимание и измерение внутренней структуры ультраинтенсивных лазерных импульсов имеет решающее значение для эффективного управления экспериментами и будущими приложениями, начиная от ускорения частиц и заканчивая управлением лазерной плазмой и диагностикой в высокоэнергетической физике. Прежние методы диагностики зачастую ограничивались рамками или предполагали усреднение множества импульсов, что мешало исследованию таких динамических явлений, как скачкообразные флуктуации или тонкие пространственно-временные связи (STCs) внутри каждого импульса. Недавнее научное достижение связано с внедрением принципиально нового подхода, получившего название RAVEN — методики, которая впервые позволила в одном единственном лазерном импульсе проводить полное измерение спатиотемпорального векторного поля ультраинтенсивного импульса. Эта революционная методика основана на интеллектуальном кодировании многомерной информации лазерного поля на двумерном детекторе с использованием сочетания оптических элементов и современных алгоритмов обработки данных, включая нейронные сети для быстрого и качественного распознавания. Ключевая идея метода заключается в том, что внутри близко к параксиальной области распространения лазера трехмерное электрическое поле можно упростить до двух пространственно-транверсальных компонент, каждая из которых зависит от пространственных координат и спектрального распределения.
Тем не менее, сохранить информацию о фазе и амплитуде для обоих векторных компонентов одновременно с высоким разрешением в пространстве и времени — крайне сложная задача из-за ограничения в двухмерных детекторах. RAVEN преодолевает это, используя многомасштабное оптическое кодирование, включающее микролинзовые решетки, дифракционные решетки и поляризационные фильтры, что позволяет эффективно сжать всю необходимую информацию в видимый двумерный паттерн, из которого затем с помощью специально обученных нейросетей можно восстановить исходное спатиотемпоральное векторное поле. Особое внимание уделено подробной обработке поляризационных свойств импульса. Зачастую существующие методы полностью игнорируют векторный аспект, что серьезно сужает понимание протекающих внутри импульса процессов и возможностей им управлять. В RAVEN для решения задачи поляризационной неоднородности применяется специально подобранный биаксиальный оптический элемент — двулучепреломляющая среда, создающая известную сдвиговую задержку между ортогональными поляризационными компонентами.
Это позволяет распутать неразрешимую без дополнительной информации амбигуити в знаке поляризационного сдвига и получить полную картину поляризационного состояния лазера с учетом спектральной зависимости. Экспериментальные проверки метода проводились на одном из самых мощных в Европе лазерных комплексов — ATLAS-3000, способном выдавать импульсы на 35 джоулей с длительностью порядка 30 фемтосекунд. Полученные результаты позволили не только снять спатиотемпоральное и поляризационное поле одного импульса в режиме реального времени, но и наблюдать динамику и флуктуации параметров лазера с временным разрешением в одну репетицию системы, что ранее было невозможно. Исследования внесли значительный вклад в понимание пространственно-временных связей, таких как наклон фронта волны и кривизна импульса, измеренных с высокой точностью и привязанных к изменением параметров накачки лазера. Были выявлены корреляции между этими STC-параметрами и изменениями в пиковом интенсивностном распределении фокуса, что подчеркивает практическую значимость комплексной диагностики для управления качеством импульса и повышения эффективности экспериментов.
Не менее впечатляющими были результаты измерений «векторных» лазерных полей на основе оптических вихрей — имульсов, несущих орбитальный угловой момент. Такие сложные световые структуры, внешне проявляющиеся в форме «бублика» в интенсивности и закрученных фазовых фронтов, впервые были охарактеризованы в спектрально-пространственном и поляризационном аспектах внутри одного импульса без усреднений и прерываний эксперимента. Это дает возможность точного управления свойствами этих высокоинтенсивных векторных световых пучков в режиме онлайн. Разработанный подход не только обеспечивает исключительно полное и достоверное представление о лазерном импульсе, но и предлагает механизм явного учёта неопределенностей измерений. Использование стохастических методов Монте-Карло позволяет переносить эти статистические оценки в область фокуса, а также в расчет пиковых характеристик, что повышает качество принятия решений и доверие к данным при настройке лазеров и разработке приложений.
Таким образом, внедрение RAVEN задает новый стандарт в области диагностики ультракоротких и сверхмощных лазерных импульсов. Полное спатиотемпоральное и векторное измерение в один лазерный выстрел открывает перспективы более эффективного управления лазерным оборудованием, повышения стабильности и производительности экспериментов и разработки инновационных приложений. Благодаря возможностям онлайн-оптимизации и детальному физическому пониманию динамики лазерного поля, RAVEN помогает преодолеть разрыв между теоретическими моделями и реальными параметрами в лабораторных условиях. Это значительно расширяет потенциал использования ультраинтенсивных лазеров в передовых направлениях науки, включая лазерное ускорение частиц, лазерно-индуцированное термоядерное горение и генерацию высокочастотного излучения. В перспективе можно ожидать, что RAVEN и аналогичные методы станут неотъемлемыми инструментами в современных и будущих установках с пета- и экзаваттными лазерами, где управление сложными спатиотемпоральными и поляризационными эффектами будет критически важным для достижения новых рубежей в физике высоких энергий и оптических технологий.
Пользователи смогут получить детальные данные о каждом отдельном импульсе — от пространственного профиля до поляризационных условий, что позволит создавать инновационные методы управления светом в самых экстремальных условиях. Таким образом, развитие технологий одиночного спатиотемпорального векторного измерения лазерных импульсов знаменует собой важный шаг на пути к более глубокому пониманию и расширенному использованию возможностей ультраинтенсивного света в науке и технике.
