Генерировать импульсы электромагнитного излучения длительностью менее 1 фемтосекунды (10^-15 с) научились совсем недавно, но теоретики уже ищут возможность сделать следующий шаг - научиться генерировать импульсы длительностью менее 1 аттосекунды (10^-18 с). В свежей работе "немецких" ученых показано, что существует возможность генерации столь коротких импульсов при отражении излучения лазера от быстро движущейся границы вакуум-плазма.

К концу 90-х годов прошлого века была отработана техника генерации предельно коротких (длительностью в 2-3 периода оптического поля, т.е. порядка 5 фс) фемтосекундных импульсов. Для существенного уменьшения длительности импульса требовались новые решения, и они были найдены: было предложено преобразовывать часть энергии коротких фемтосекундных импульсов оптического диапазона в более коротковолновое излучение (генерация высоких гармоник - излучения с частотой, кратной частоте начального импульса) с использованием сверхбыстрых нелинейных оптических эффектов. Проведенные в начале нового столетия эксперименты показали, что при взаимодействии мощных и коротких лазерных импульсов с газовой мишенью действительно удается генерировать импульсы мягкого рентгеновского излучения аттосекундной (субфемтосекундной) длительности (см. нашу заметку "Первые шаги аттофизики"). Подобные сверхкороткие импульсы электромагнитного излучения уже сейчас становятся инструментом иследований (помимо вышеуказанной см. также нашу новость "Аттосекундная лазерная электроядерная спектроскопия").

Пока "аттофизика" делает свои первые шаги, ученые стремятся понять, как можно перешагнуть уже не фемтосекундный, а аттосекундный барьер, т.е. научиться генерировать импульсы длительностью порядка сотен зептосекунд (приставка зепто- означает 10^-21 с). Сотрудники института теоретической физики при университете Дюссельдорфа (один из которых еще сохранил связь с московским институтом теоретической физики имени Л.Д.Ландау) в своей недавней работе рассмотрели возможность генерации зептосекундных импульсов при отражении лазерного излучения от границы "вакуум-плазма". В их схеме генерация высоких гармоник происходит за счет релятивистского эффекта Доплера. Если представить себе, что излучение лазера отражается от движущегося навстречу с околосветовой скоростью зеркала, то за счет эффекта Доплера отраженное излучение должно иметь существенно более высокую частоту, чем падающее. Роль такого "зеркала" играет осциллирующая поверхность сверхплотной плазмы, а генерация ультракоротких импульсов коротковолнового излучения происходит в те интервалы времени, когда поверхность плазмы движется навстречу лазерному лучу со скоростью, близкой к максимальной.

Проведенные учеными расчеты выявили достаточно общую закономерность: интенсивность генерируемых гармоник спадает по степенному закону в широком диапазоне (при n < 4g ², где g - максимальный Лоренц-фактор), т.е. интенсивность n-ой гармоники пропорциональна 1/n^p (p = 2.5 при условии квазимонохроматичности падающего света и p = 3 при достаточно большой спектральной ширине лазерного импульса). Очевидно, чем больше максимальная скорость (и, соответственно, максимальный Лоренц-фактор) колеблющейся поверхности плазмы, тем больше предельное значение n, при котором происходит переход от степенной к экспоненциальной зависимости. Это означает, что в отраженном излучении должны присутствовать и ультракороткие импульсы достаточно высокой интенсивности. Моделирование показало, что при определенных (в принципе достижимых) условиях в спектре отраженного излучения должны присутствовать интенсивные (интенсивностью порядка 10¹⁹ Вт/см²) импульсы длительностью порядка сотен зептосекунд. Длина волны такого излучения соспоставима с размерами атома.

Конечно, пока зептосекундные импульсы "выделены" только на бумаге, а в реальности предстоит еще большая теоретическая и экспериментальная работа, направленная на определение оптимальных условий генерации "сверхультракоротких импульсов"... Нужно будет научиться выделять зептосекундные импульсы, научиться регистрировать их длительность (это задача сложна сама по себе), и только тогда будет открыта новая глава в сверхбыстрой спектроскопии. Однако не приходится сомневаться, что это время уже не за горами.

1. S.Gordienko, A.Pukhov, O.Shorokhov, T.Baeva. Phys.Rev.Lett, v.93, 115002 (2004) (в свободном доступе статья находится здесь).

Е.Онищенко