Немецкая команда добилась сверхбыстрой формовки импульсов крайнего ультрафиолета с использованием гелия высокой плотности

20 августа 2026 года международная группа под руководством исследователей из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге (MPIK) объявила, что ей удалось управлять формой пучка и спектром мощных высокочастотных лазерных импульсов, используя атомарный газ в качестве быстропереключаемой линзы, изменяющейся во времени. Это достижение открывает новые пути для точного контроля импульсов крайнего ультрафиолета (XUV) и рентгеновского излучения и может быть использовано в таких направлениях исследований, как совершенствование спектроскопических методов, управление химическими реакциями и квантовые вычисления.

Крайний ультрафиолет способен предоставить важный инструмент для изучения процессов на атомном масштабе. С развитием лазеров на свободных электронах исследователи уже могут генерировать сверхкороткие высокоинтенсивные импульсы XUV, однако вопрос о том, как управлять ими, например, фокусировать, отклонять или формировать их спектр так же, как видимым светом, остаётся сложной задачей. Традиционные стеклянные линзы, зеркала или призмы часто сильно поглощают высокоэнергетичные фотоны крайнего ультрафиолета, что затрудняет их использование в качестве стабильных и эффективных оптических элементов.

В данном исследовании команда использовала гелий высокой плотности в качестве регулирующей среды. Когда мощный лазерный импульс XUV проходит через эту оптически плотную среду, он быстро возбуждает и девозбуждает атомные уровни, образуя квантово-динамический процесс, известный как осцилляции Раби. Поскольку интенсивность лазерного пучка различна в центре и на краях, показатель преломления газовой среды также изменяется в зависимости от пространственного положения, особенно заметно вблизи резонансной частоты атомов. Исследователи полагают, что такое зависящее от интенсивности взаимодействие света с веществом позволяет атомарному газу проявлять рефракционные свойства, аналогичные линзе или призме.

Эксперименты были проведены на лазере на свободных электронах FLASH в DESY в Гамбурге. Исследователи сфокусировали мощные импульсы крайнего ультрафиолета в газовую ячейку, содержащую гелий; энергия фотонов в центре импульса составляла 21,2 эВ, что соответствует энергии электронного перехода 1s-2p в атоме гелия. Эксперименты показали, что при более низкой интенсивности лазера свет поглощается газовой ячейкой в области атомного резонанса, но пространственная форма в основном сохраняется; при более высокой интенсивности лазера и более высоком давлении газа пучок отклоняется от исходного направления распространения, причём это особенно заметно на двух частотах — чуть ниже и чуть выше энергии атомного резонанса, что приводит к формированию характерной двухпиковой спектральной структуры.

Исследователи отмечают, что данный метод фактически создаёт линзу, изменяющуюся во времени и работающую в сверхкоротких временных масштабах, которая позволяет направленно формировать пучок и его спектральные компоненты. Это не только способствует разработке новых оптических элементов, пригодных для высокочастотного света, но и поможет учёным глубже понять взаимодействие интенсивного излучения с резонансными средами и процессы его распространения. В будущем эта технология может быть использована для пространственного и спектрального управления когерентными импульсами крайнего ультрафиолета и рентгеновского излучения.