Новости науки 15.03.01. Как измерить длительность сверхкороткого импульса?

В настоящее время лазеры с длительностью импульса порядка нескольких десятков - сотен фемтосекунд (1 фс = 10^-15 c) являются мощным рабочим инструментом научных исследований. Более того, уже предложены различные способы генерации импульсов аттосекундной (!) длительности (1 ас = 10^-18 c). Но складывается до известной степени курьезная ситуация: проведенные эксперименты не дают прямого ответа на вопрос, действительно ли получены импульсы с длительностью меньше фемтосекунды. Дело в том, что временное разрешение существующих методик ограничено несколькими фемтосекундами. В теоретической работе [1] предложен новый способ измерения длительности сверхкоротких импульсов, позволяющий преодолеть фемтосекундный рубеж.

Рис.1. Схематическое изображение потенциальной ямы для электрона в He⁺ при нулевом (пунктир) и максимальном (сплошная линия) поле лазера. Энергия фотонов в аттосекундном импульсе (на рисунке - w _x ) такова, что в отсутствии мощного поля, подавляющего кулоновский барьер, ионизации не происходит.

Еще в 1987 году были получены лазерные импульсы длительностью 6 фс, однако принципиальные ограничения не позволяют продвинуться в аттосекундную область для света в видимом диапазоне спектра. Зато генерация аттосекундных импульсов вполне возможна в дальнем ультрафиолете - мягком рентгене. Как же измерить длительность подобного неимоверно короткого импульса? В работе [1] рассматривается следующий механизм. При действии мощного (порядка 10¹⁵ Вт/см²) короткого (несколько фемтосекунд) импульса на "газовую мишень" при "конвертации" части электромагнитной энергии из ближней инфракрасной или видимой в дальнюю ультрафиолетовую область спектра происходит генерация аттосекундного импульса, который выделяется с помощью набора фильтров или зеркал. Аттосекундный импульс и "остаточный" мощный фемтосекундный лазерный импульс фокусируются на однократно ионизованную He плазму. Мощное электрическое поле фемтосекундного импульса (в максимуме напряженность поля E > 10⁹ В/см) подавляет кулоновский барьер и высокоэнергетичные фотоны аттосекундного импульса в подобных условиях могут выбить второй электрон, превратив He⁺ в He⁺⁺ (рис.1). Если время прихода аттосекундного импульса совпадает с временем прихода максимума фемтосекундного импульса, то выход дважды ионизованного гелия будет максимален. Если же аттосекундный импульс приходит в заданную точку "с опозданием" на четверть оптического периода фемтосекундного импульса, когда напряженность поля E = 0, то выход He⁺⁺ минимален (т.к. аттосекундный импульс имеет ненулевую протяженность и, соответственно, частично "захватывает" область достаточно высокого поля, то ионизация, хотя и менее интенсивная, все же будет происходить). Очевидно, что чем короче аттосекундный импульс, тем более он "сосредоточен" в области с нулевым полем и, соответственно, тем меньше будет выход He⁺⁺. Поэтому, измеряя отношение количества ионов He⁺⁺, созданных в двух описанных случаях, можно определить длительность аттосекундного импульса. Для конкретных параметров импульсов, рассмотренных в [1], и гелия в качестве газа-мишени, подобный способ дает возможность измерять длительность импульсов до 400 ас. Однако при иных значениях параметров (рентгеновские фотоны, другой газ в ачестве мишени) достижимое временное разрешение методики может быть улучшено в несколько раз.

1. Armin Scrinzi, Michael Geissler, Thomas Brabec. Phys.Rev.Lett. v.86, p.412 (2001).

перейти к началу страницы