2013: Показана возможность геренации ударных волн аттосекундной длительности
В совместной работе физиков Московского Государственного Университета и университета Texas A&M предсказано появление оптических ударных волн аттосекундной длительности при распространении мощных лазерных импульсов ближнего ИК диапазоне в гелии низкого давления.
Одни из наиболее захватывающих применений современной нелинейной оптики связаны с использованием световых импульсов предельно малой длительности. Разработка фемтосекундных (1 фс = 10-15с) лазеров позволила наблюдать и контролировать протекание химических реакций. Аттосекундные технологии (1 ас = 10-18с) поволят наблюдать и контролировать движение электронов в атомах, реализуя, например, атомный транзистор - элементарный блок сверхбыстрой квантовой электроники будущего.
Существующие технологии получения аттосекундных импульсов сложны и отличаются низкими эффективностью и энергией получаемого аттосекундного импульса. В совместной работе физиков Московского Государственого Университета и университета Texas A&M (США) была промоделирована генерация мощных мультигигаваттных аттосекундных импульсов в процессе формирования трехмерных оптических ударных волн. Образование ударных волн, или скачков физических параметров, распространяющихся волновым образом - общее свойство нелинейной волновой динамики и обнаруживается во многих областях физики: астрофизике, нелинейной акустике, сейсмологии, динамике жидкостей и детонационной физике. Возникновение большого класса ударных волн связано с зависимостью скорости распространения волны от амплитуды, вызывающей укручение переднего фронта (если максимум импульса движется быстрее краев) либо заднего фронта (если максимум импульса движется медленее краев) импульса. В нелинейной оптике одномерные ударные волны известны проявлениями в оптических волокнах. Одномерные оптические ударные волны искажают форму импульса, но не изменяют его длительности.
С помощью численного моделирования, проведенного на комплексах “Ломоносов” и “Чебышев” Московского Государственного Университета, было продемонстрировано, что в трехмерном случае нелинейная пространственно-временная динамика мощного фемтосекундного (длительностью 20-50 фс) лазерного импульса приводит к формированию оптической ударной волны аттосекндной длительности (около 300 ас). Более конкретно, в качестве среды распространения рассматривается гелий, так как гелий имеет наибольший частотный диапазон прозрачности (~5x1015Гц = 21 эВ) из благородных газов, а минимальная длительность ударной волны определяется поглощением и дисперсией на краях окна прозрачности среды. Лазерный импульс длительностью 30 фс, центральной длиной волны 800 нм и мощностью 1.4 ТВт (0.8 Pcr, где Pcr - критическая мощность самофокусировки) распространяется в гелии в условиях мягкой фокусировки. Образование аттосекундной ударной волны происходит за линейным фокусом, на расстоянии ~ 20 м от входа в среду распространения. В точке образования аттосекундной ударной волны поток энергии достаточно мал (<2 Дж/cm2), что делает возможным выделение аттосекундных импульсов с помощью спектрального фильтра. Подобные ударные волны позволят исследовать законы нелинейной оптики на аттосекундных временных масштабах, а также являются перспективным инструментом визуализации и контроля электронных волновых функций в атомах. Детали работы опубликованы в журнале Physical Review Letters, том 110, стр. 183903 за 2013 год.