Высокоэнергетические импульсы длительностью 1,53 цикла через однородную пост‑сжатие в одной тонкой пластине

Почему уменьшение длительности световых импульсов важно

Импульсы света, длительность которых составляет всего несколько квадриллионных долей секунды, уже лежат в основе передовых исследований — от наблюдения за движением электронов до работы компактных ускорителей частиц. В этой работе показано, как сделать такие сполохи ещё короче — вплоть до чуть более одного цикла световой волны — при сохранении высокой энергии и чистоты пучка. Возможность получить это с помощью простой стеклянной пластинки вместо громоздкой сложной аппаратуры может дать лабораториям по всему миру доступ к экстремальному свету для изучения материи на её самых быстрых временных масштабах.

Как превратить длинный всплеск в крошечный импульс

Авторы начинают с продвинутой лазерной системы, дающей очень короткие, высокоэнергетические импульсы: 5 миллиджоулей энергии, сосредоточенные в 7,7 фемтосекунда при длине волны около 800 нанометров. Вместо того чтобы пропускать этот пучок через длинные газовые камеры или сложные оптические пути, они направляют широкий, с плоским верхом пучок в одну тонкую пластину из спрессованного кварцевого стекла толщиной всего 1 миллиметр. Внутри стекла интенсивный свет слегка меняет показатель преломления материала по мере прохождения импульса, временно «скручивая» цвет света. Этот самоиндуцированный эффект расширяет спектр импульса на более широкий диапазон цветов, что, в принципе, позволяет сжать импульс во времени.

Контролируемое расширение без нежелательных последствий

Если спектр растягивать слишком агрессивно, он может стать неровным, и импульсы будет трудно реконструировать чисто. Здесь команда сознательно работает в умеренном режиме: спектр расширяется примерно в три раза, оставаясь при этом гладким, с лишь малыми рябями. В предельной настройке спектр теоретически мог бы поддерживать импульсы длиной около 2,8 фемтосекунды — чуть более одного цикла светового поля. Для практической работы они выбирают чуть менее экстремальное расширение, которое всё ещё даёт импульсы короче 4 фемтосекунд, но избегает постоянного высокого напряжения на стекло, связанного с очень интенсивной эксплуатацией.

Сжатие и измерение световой волны

После пластинки расширенный спектр пропускают через компактный компрессор, состоящий из специально спроектированных зеркал и тонких стеклянных клиньев, которые вносят нужные задержки для каждого цвета. С помощью точной измерительной техники, основанной на генерации второй гармоники импульса и сканировании его дисперсии, исследователи реконструируют временную форму импульса. Они демонстрируют импульсы длиной до 3,8 фемтосекунд, что соответствует примерно 1,5 колебаниям светового поля, при этом сохраняется примерно две трети идеальной пиковой мощности. Простой численный модельный подход, который рассматривает пучок как пространственно однородный, успешно воспроизводит измеренные спектры и основные характеристики импульса, показывая, что сложный процесс можно описать относительно простыми расчётами.

Сохранение чистоты и фокусируемости пучка

Ультракороткие импульсы полезны только если их можно сильно сфокусировать на мишень. Интенсивный свет в твёрдом теле легко искажает форму пучка, но входной профиль с плоской вершиной помогает сохранить спектр почти одинаковым по сечению: пространственно‑спектральная однородность остаётся лучше 97 процентов. Авторы также анализируют волновой фронт — детальную форму фазы пучка — и обнаруживают, что хотя появляются некоторые искажения, особенно астигматизм, их в значительной степени можно корректировать деформируемым зеркалом. С подключённой адаптивной оптикой качество фокусировки, выраженное как отношение Стрелёна, достигает 0,88 даже после сильного нелинейного взаимодействия, то есть большая часть энергии по‑прежнему попадает в острой центральной пятно.

Что это значит для науки об экстремальном свете

Показав, что одна тонкая стеклянная пластина может превратить уже короткие, энергетические импульсы в почти одноцикловые вспышки при сохранении гладкости и хорошей фокусируемости пучка, это исследование указывает на компактный путь к ещё более мощным источникам «нескольких циклов» света. Такие импульсы особенно ценны для генерации аттосекундных вспышек в газах и для эффективного привода плазменных ускорителей частиц, где производительность сильно улучшается по мере уменьшения длительности импульса. Поскольку конструкция естественно масштабируется на более высокие энергии и может моделироваться простыми инструментами, она предлагает практичный план для лабораторий, стремящихся создать новое поколение ультракоротких, высокоэнергетических лазерных систем.

Цитирование: Jansonas, G., Karvelis, D., Gadonaitė, P. et al. High energy 1.53-cycle pulses via homogeneous post-compression in a single thin-plate. Sci Rep 16, 10452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40980-y

Ключевые слова: ультракороткие лазерные импульсы, спектральное расширение, пост‑сжатие в тонкой пластине, аттосекундная наука, лазерно‑плазменное ускорение