С развитием лазерных технологий и усилением возможностей создания сверхинтенсивных ультракоротких импульсов света перед учеными и инженерами возникла ключевая задача точного и комплексного измерения характеристик таких импульсов. Петаваттные лазеры, достигая экстремальных уровней мощности и интенсивности, открывают уникальные возможности для изучения фундаментальных процессов в физике высоких энергий, оптики и взаимодействия света с веществом. Однако для раскрытия всего потенциала подобных источников необходимы методы, способные фиксировать их внутреннюю структуру в полном объеме и в реальном времени. Именно здесь на сцену выходит инновационная технология однокадрового спатиотемпорального измерения векторных полей петаваттных лазерных импульсов. Традиционные методы характеристики лазерных импульсов, хотя и позволяли анализировать пространственные и временные параметры, не обеспечивали одновременного измерения всех ключевых аспектов — интенсивности, фазы, спектра и поляризации — в едином экспериментальном цикле.
Особенно остро эта проблема стояла в отношении изучения векторной природы электромагнитного поля, где каждая его составляющая и соответствующие взаимодействия со временем и пространством содержат сложные взаимосвязи. В совокупности это создавало существенные ограничения по скорости, точности и полноте данных. Новый метод, получивший название RAVEN, смог реализовать принципиально иной подход, позволяющий однократно зафиксировать полноценное спатиотемпоральное векторное поле ультракороткого высокой интенсивности лазерного импульса. Он объединяет оптическую систему, включающую микролинзовую решётку, дифракционную решётку и фильтры поляризации, с мощным программным комплексом на базе нейросетевых алгоритмов для быстрого и точного декодирования высокоразмерных данных. Основная идея состоит в стратегическом кодировании информации об интенсивности, фазе и поляризации в двухмерный интенсивностный сигнал, реализуемый посредством распределения света и его спектрального сдвига в пространстве.
Ключевая инновация RAVEN заключается в использовании феномена пространственно-временных связей (СТС), позволяющего соотнести корреляции между координатами поля в пространстве и частоте, что значительно снижает требования к разрешающей способности детектора и облегчает восстановление исходного поля. Вместе с тем, прибор учитывает векторные компоненты поля — поперечные составляющие — что способствует глубокому пониманию поляризационных эффектов, критичных при экстремальных интенсивностях. Это обеспечивает полноценное измерение, включая фазовые сдвиги между ортогональными поляризациями, и позволяет надежно оценивать неопределенности результатов. В основе оптической системы лежит принцип микролинзовой решётки, которая разбивает пучок лазера на множество «подпучков», каждый из которых проецируется на детектор и анализируется по спектру и фазе. Диффракционная решётка добавляет хроматическую дисперсию, кодируя спектральную информацию в пространстве светового пучка.
После этого поляризационный фильтр, расположенный на камере с датчиком изображения, выделяет компоненты с разными направлениями поляризации. Таким образом, единичный снимок содержит информацию, позволяющую затем восстановить четырехмерное распределение поля — по двум пространственным координатам, времени (или частоте) и векторным компонентам. Для эффективной обработки такой сложной информации была разработана программная часть, основанная на нейронных сетях, обученных на моделях распространения интенсивных импульсов. Это обеспечивает высокую скорость реконструкции, необходимую для однокадровых измерений, а также оптимально справляется с шумами и исследует неопределенности, которые традиционные методы обработки устраняют с трудом. Результатом становится максимально приближенное восстановление полной картины поля с учётом реальных условий эксперимента.
Отличием RAVEN является не только его уникальная архитектура, но и реальное применение на петаваттной установке ATLAS-3000 в Германии. Там метод позволил получить первые однокадровые измерения векторного поля лазерного импульса мощностью порядка 35 джоулей и длительностью около 30 фемтосекунд. Исследования выявили подробные характеристики интенсивности, временного профиля и поляризации, а также позволили оценить влияние пространственно-временных эффектов, таких как наклон и изгиб фронта пучка, на эффективность фокусировки и качество импульса. Полученные спатиотемпоральные Штрель отношения подтвердили высокий уровень управления лазерным полем и предоставили новую информацию о динамике внутренних параметров при изменении настроек усиления. Кроме того, RAVEN продемонстрировал способность изучать лазеры с сложной векторной структурой, например, импульсы с орбитальным угловым моментом, или оптические вихри.
Эти поля характеризуются спиральной фазой и особым распределением поляризации, что раньше было проблематично измерять в одиночном выстреле. Возможность регистрировать полный векторный профиль за один импульс открывает перспективы для исследований новых физических эффектов, включая управление частицами на атомном и субатомном уровнях, генерацию высокочастотного излучения, а также улучшение лазерного синтеза и сжатия. Новаторский подход RAVEN значительно ускоряет процесс диагностики и оптимизации сверхмощных лазерных систем. Реальное время обработки даёт возможность вносить коррективы в работу установок буквально «на лету», снижая количество черезмерных или неудачных выстрелов и повышая стабильность эксперимента. Это особенно важно для лазеров с низкой частотой повторения, где каждая секунда ценна, а внесение поправок часто отнимает часы, если опираться на традиционные методы.
В научном плане появление такого инструмента позволяет заполнить пробел между теоретическими моделями и экспериментом. Данные, полученные от RAVEN, предоставляют фундаментальные параметры для моделирования взаимодействия света и материи в режимах высокой интенсивности, где традиционные приближения уже оказываются нефункциональными. Благодаря этому повышается точность расчётов и приходит глубокое понимание процессов сверхбыстрого нелинейного взаимодействия, что важнейшим образом повлияет на будущее проектов в области лазерной плазмы, ускорения частиц и ядерного синтеза. Рост интереса к структурированным световым полям и их применениям подтверждает уникальность возможностей, открываемых RAVEN. Векторные лазерные импульсы с заданной неравномерной поляризацией и распределением фаз могут использоваться для повышения эффективности лазерных ускорителей, создания новых источников излучения и реализации манипуляций с частицами с рекордной точностью.
Точное и полное измерение таких полей позволяет не только подтвердить теоретические прогнозы, но и выявить ранее неизвестные механизмы воздействия структуры света на окружающую среду. Наконец, развитие подобных методов открывает новые векторы для применения машинного обучения и оптимизации. Точные и быстрые измерения с оценкой неопределенностей служат основой для алгоритмов самообучения, способных адаптировать параметры лазера для достижения максимальной эффективности и надежности. Таким образом, RAVEN становится не только диагностическим, но и управляющим инструментом, способным привести к прорыву в высокоинтенсивном лазерном производстве и исследованиях. В результате, однокадровое спатиотемпоральное измерение векторного поля петаваттных лазерных импульсов представляет собой значительный шаг вперед в области оптики и лазерной физики.
Эта технология не только обеспечивает комплексную и быструю диагностику сложных лазерных полей, но и расширяет горизонты экспериментов, открывая возможности для открытия новых физических эффектов и совершенствования прикладных технологий. В свете быстрого прогресса высокоинтенсивных лазеров, метод RAVEN обещает стать стандартом, способствующим развитию науки и техники в ближайшие годы и десятилетия.
