Лазерный прорыв: как фемтосекундные импульсы изменят мир пучков электронов

Новый способ управления пучком релятивистских электронных импульсов, создаваемых фемтосекундным лазером сверхвысокой интенсивности, продемонстрировал Институт фундаментальных исследований Тата, Мумбаи, в сотрудничестве с Австралийским национальным университетом, Канберра.

Исследование опубликовано в журнале Laser and Photonics Reviews.

Пучки электронов высокой энергии имеют решающее значение для фундаментальной науки и множества приложений и технологий, таких как визуализация, литография полупроводников, материаловедение и медицинская терапия. Как правило, такие пучки получают из ускорителей — сложных дорогостоящих устройств больших размеров со сложными мощными электрическими и управляющими системами. И каждый из них ориентирован на работу в определенном режиме энергий и токов, который очень сложно изменить по своему усмотрению.

Фемтосекундные лазерные импульсы высокой интенсивности доводят электроны до очень высоких энергий, достигающих миллионов и миллиардов электронвольт на масштабах длины, в 100-1000 раз меньших, чем длина обычных ускорителей, что обещает революцию в компактификации и управлении. Большая часть этого прогресса была достигнута с использованием мишеней из газообразной плазмы, и луч электронов обычно направляется вдоль направления самого лазера.

Поэтому необходимо найти способы получения электронов с большим потоком, например, с помощью твердой мишени, одновременно контролируя их направленность. Для плоских твердых тел направление и поляризация лазерного излучения контролируют энергию и направление эмиссии электронов. Пучки имеют довольно широкий угловой разброс, становясь еще шире при более высоких интенсивностях лазера. Изменение их направления или формирование узкого пучка — чрезвычайно сложные задачи.

Именно в этом направлении и работает настоящее изобретение. Используя твердое тело с поверхностью, украшенной нанопилястрами, авторы управляют импульсами электронов с энергией МэВ и направляют их в узкие пучки, регулируя угол падения лазера. Наноструктура усиливает локальные электрические поля, обеспечивая большее ускорение, чем могут обеспечить плоские поверхности, а разумный выбор угла падения и расстояния между ними позволяет направлять импульсы электронов в нужном направлении. Приятный бонус — моделирование показывает, что электронные импульсы имеют аттосекундную длительность.

Таким образом, упорядоченные наношаги могут не только дать мощный толчок электронам, но и плотно связать их во времени и приказать им двигаться в заданных направлениях. Авторы называют это «плазменной нанофотоникой», проводя аналогию с массивом антенн — правильно расставленных — излучающих направленное, когерентное электромагнитное излучение.

Ранее ученые объявили о разработке лазера с необычайно низкой зернистостью.

17.12.2024