Tajemnice optyki nieliniowej

Fotografując pękający balon klasycznym aparatem nie dowiemy się wiele o procesie pękania - na rozmazanym zdjęciu nałożą się fazy procesu. Impulsy laserowe mogą być na tyle krótkie, że pozwalają obserwować w czasie rzeczywistym procesy w skali cząsteczek - drgania wewnątrz molekuł, ich tworzenie się i rozpady. By uzyskać wgląd w procesy w skali atomu, potrzebne będą impulsy jeszcze krótsze. Techniki ich wytwarzania oparte są na procesach nieliniowych - mówi dr Piotr Wasylczyk z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.

Czym zajmuje się optyka nieliniowa?

Dr Piotr Wasylczyk: Wyobraźmy sobie, że wiązkę światła przepuszczamy przez płytkę z przezroczystego materiału, na przykład zwykłego szkła, o grubości kilku centymetrów. Dla światła pochodzącego z takiego źródła jak latarka, czy laserowy wskaźnik ze sklepu nie zaobserwujemy nic szczególnie interesującego - wiązka przechodzi przez materiał, jedynie niewielka jej część odbija się od powierzchni szkła.

Zupełnie inaczej rzecz się ma, jeśli posłużymy się światłem o dużym natężeniu. Moc chwilowa, jaką osiągają stosowane w naszych doświadczeniach impulsy laserowe może wynosić kilkadziesiąt gigawatów. Dla porównania, największa polska elektrownia Bełchatów ma moc szczytową ok. 4 gigawatów. Tajemnicą dostępu do tak ogromnych mocy z układu laserowego mieszczącego się na jednym stole laboratoryjnym i zasilanego ze ściennego gniazdka, jest uzyskiwanie niezwykle krótkich (trwających ułamek milionowej części sekundy) impulsów laserowych. W tak ekstremalnych warunkach wkraczamy do królestwa optyki nieliniowej.

Na czym polega owa nieliniowość?

PW: Do wynalezienia lasera dostępne w eksperymencie optycznym były zjawiska liniowe, gdzie, najprościej mówiąc, odpowiedź ośrodka, który oświetlamy jest proporcjonalna do ilości padającego nań światła. Gdy natężenie pola elektrycznego fali świetlnej staje się porównywalne z polami wiążącymi elektrony w atomach, materia zachowuje się inaczej, niż w codziennym doświadczeniu.

W optyce nieliniowej owa odpowiedź, na przykład wychylenie związanego atomie elektronu z położenia równowagi czyli polaryzacja ośrodka, może zależeć od kwadratu, sześcianu czy jeszcze wyższych potęg pola elektrycznego padającego światła.

Jakie znaczenie praktyczne ma rozwijanie wiedzy o tych zjawiskach?

PW: Wzmacniacze laserowe służące do wytwarzania ultrakrótkich impulsów laserowych dużej mocy długo jeszcze, a być może nigdy, nie wyjdą poza laboratoria naukowe. Są to w tej chwili układy o takim stopniu złożoności, że samo ich uruchomienie wymaga niemałej wiedzy i praktyki, nie mówiąc już o klimatyzowanych pomieszczeniach z oczyszczaniem powietrza i precyzyjną stabilizacją temperatury. Jednym z niewielu urządzeń, w których stosuje się nieliniowe przetwarzanie częstości są zielone wskaźniki laserowe - w istocie składają się one z lasera świecącego w podczerwieni, którego częstość jest podwajana w procesie nieliniowym w stosownym krysztale.

Zatem w obszarze teorii jest jeszcze wiele do zrobienia, zanim przejdzie się do eksperymentów?

PW: Jest takie powiedzenie, nie pamiętam gdzie je usłyszałem: z eksperymentami różnie bywa - zwykle się nie udają. Po czterech latach badań propagacji ultrakrótkich impulsów laserowych w przezroczystych ośrodkach, które były tematem mojego doktoratu, mieliśmy już dość jasny obraz sytuacji.

W szeregu eksperymentów, które prowadziłem w Laboratorium Procesów Ultraszybkich na Wydziale Fizyki UW pod kierunkiem prof. Czesława Radzewicza, zaobserwowaliśmy niezwykłe bogactwo zjawisk - okazało się, że dobierając odpowiednio warunki eksperymentu, możemy doprowadzić do podziału impulsu na dwie lub więcej części, wytwarzać nowe częstości czyli kolory światła, wpływać na kształt wiązki laserowej.

Okazało się jednak, że procesy, które prowadzą do tych widowiskowych efektów są zbyt złożone, by opisać je przy pomocy dostępnych narzędzi teoretycznych. I choć fundamentalnie wiadomo, jak wypisać równania propagacji światła w jednorodnym materiale takim jak szkło, to rozwiązanie ich, przy uwzględnieniu wszystkich zjawisk nieliniowych, które mają wpływ na zachowanie impulsu, przekraczało możliwości współpracujących z nami teoretyków. Nie tylko ich zresztą - od tamtej pory minęło kilka lat i czytając publikacje, które ukazały się w tym czasie, nie mam wrażenia, by udało się znacząco zbliżyć do celu, jakim byłaby zgodność przewidywań teoretycznych z wynikami eksperymentów. Ostatecznie musiałem ograniczyć się do opisu "zoologicznego", czyli próby usystematyzowania obserwowanych zjawisk i zaledwie jakościowej ich analizy.

W minionej edycji prestiżowego konkursu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej otrzymał Pan stypendium w programie POWROTY/HOMING. Bogaty w zagraniczne doświadczenia wrócił Pan do Polski. Czym zajmuje się Pan obecnie? 

PW: W pracy naukowej nierzadko niepowodzenia w jednych eksperymentach prowadzą do niespodziewanych sukcesów w innych miejscach. By móc wykonywać dokładne pomiary ultrakrótkich impulsów laserowych przed i po przejściu przez materiał, zainteresowałem się technikami pomiaru takich impulsów, które same w sobie stanowią rozległy dział optyki.

W efekcie opracowaliśmy kilka nowatorskich technik oraz zbudowaliśmy szereg urządzeń służących do niezawodnej, precyzyjnej charakteryzacji impulsów laserowych.

Warto sobie uświadomić, że typowe czasy, z jakimi mamy do czynienia w optyce ultrakrótkich impulsów światła są około dziesięć tysięcy razy krótsze niż mogłyby zmierzyć najszybsze układy elektroniczne - trzeba się tu uciekać do metod czysto optycznych oraz, nieraz bardzo wyrafinowanych, technik numerycznych, które pozwalają z mierzonych wielkości uzyskać informację o polu elektrycznym impulsu.

Do czego potrzebne są bardzo dokładne pomiary impulsów laserowych?

PW: By śledzić procesy zachodzące w pewnej skali czasu, potrzebujemy techniki pomiarowej o porównywalnej, a najlepiej znacząco lepszej, rozdzielczości czasowej.

Fotografując pękający balon aparatem o czasie otwarcia migawki 1/1000 sekundy nie dowiemy się wiele o procesie pękania - w najlepszym razie zdjęcie będzie rozmazane, bo nałożą się na nim wszystkie fazy procesu. Dostępne obecnie impulsy laserowe są na tyle krótkie, że pozwoliły po raz pierwszy zaobserwować w czasie rzeczywistym procesy w skali cząsteczek - drgania wewnątrz molekuł, ich tworzenie się i rozpady.

Prace Ahmeda Zewaila nad podglądaniem ultraszybkich procesów w cząsteczkach zostały uhonorowane nagrodą Nobla z chemii w 1999 roku. By uzyskać wgląd w procesy w skali atomu, potrzebne będą impulsy jeszcze krótsze. Wszystkie, raczkujące dopiero, znane nam techniki ich wytwarzania oparte są na procesach nieliniowych i wymagają dokładnej znajomości pola elektrycznego impulsów światła, które owe procesy wywołują.

PAP - Nauka w Polsce