Home Технологии Эксаваттный лазер взломает секреты природы за фемтосекунду
Эксаваттный лазер взломает секреты природы за фемтосекунду PDF Печать E-mail

Физики планируют построить лазер, от луча которого у материи, фигурально выражаясь, снесёт крышу. Чтобы представить его мощность в лазерных указках, нужно оперировать секстиллионами. Сосредоточенный в доле миллиметра поток высветит новые тайны природы. Жаль, увидеть эту вспышку человек не сможет – она будет столь коротка, что моргание на её фоне покажется вечностью.

В нынешнем году исполняется 50 лет лазеру, история появления которого богата на интересные повороты. Руку к этому направлению науки приложили немало учёных по обе стороны океана. А в 1964 году за фундаментальные работы по квантовой электронике, приведшие к рождению мазеров и лазеров, Нобелевку по физике получили сразу трое исследователей из СССР и США.

Юбилей же связан вот с чем: самый первый функциональный лазер был построен в лабораториях Хьюза (Hughes Research Laboratories), в Малибу, в 1960 году.


Физик Теодор Мейман (Theodore Maiman) из Hughes Research Laboratories и созданный им первый в мире лазер, который первый раз был включён 16 мая 1960 года (фото HRL Laboratories).

Ныне о разновидностях и применении лазеров можно писать не то что статьи — целые книги. Самые маленькие лазеры нужно разглядывать под микроскопом, самые крупные установки занимают огромные залы и даже здания размером со стадион. Наимощнейшие лазеры непрерывного действия добрались до отметки в мегаватт, а самые короткоимпульсные – до масштаба времени в несколько аттосекунд.

Лазеры завоевали связь и индустрию развлечений, они нашли работу в медицине и в отраслях промышленности, крупным мобильным установкам прочат карьеру в военной отрасли, крошечным лазерным чипам — успех в электронике...

Но самые внушительные системы — это, конечно, "игрушки учёных": импульсные лазеры, способные на триллионные доли секунды производить самые мощные и яркие лучи на Земле. Именно они позволяют физикам заглядывать в глубины материи, подвергая её концентрированному световому удару и заставляя переходить в необычное состояние или, допустим, запускать реакции ядерного синтеза.

Тут важны ключевые параметры установок: мощность излучения, количество энергии в импульсе (одно с другим связано, очевидно, через продолжительность вспышки), а ещё интенсивность потока — мощность, приходящаяся на единицу площади создаваемого лучом светового зайчика. Не обязательно система, лидирующая по одному показателю, будет рекордсменом в другом, но в целом их параметры выглядят впечатляюще. В основном речь идёт о сотнях тераватт в луче.


Лазер называют одним из самых значимых изобретений XX века. От первых физических экспериментов до проникновения во множество сторон деятельности человека лазеры прошли гигантский путь. В массы лазерные технологии вывели CD и проигрыватели для них (созданные в конце 1970-х). Но именно у физиков всегда оставались самые крупные, самые необычные и оригинальные лазерные системы (фотографии Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Air Force Research Laboratory, wikipedia.org, Lawrence Livermore National Laboratory).

Благодаря установкам такого типа учёные нагревают вещество до температуры центра Солнца, "заглядывают" в сердцевину планет-гигантов, изучают поведение алмаза при экстремальных условиях, просвечивают взрывающиеся белки и заставляют золото твердеть при скоростном нагреве, да и просто ставят рекорды темпа нагрева (миллиард миллиардов градусов в секунду, между прочим).

Какие фокусы с веществом способен проделывать "тераваттный свет" — можно рассуждать долго. Но что тогда говорить о росте мощности лазеров ещё на несколько порядков? Такой поток излучения способен открыть перед экспериментаторами совершенно новые грани материи.


Тодд – директор научной группы лазеров высокой интенсивности университета Техаса (High Intensity Laser Science Group) (фото University of Texas at Austin).

Именно об этом мечтает профессор Тодд Дитмайр (Todd Ditmire). Мечтает вполне обоснованно. Как раз в его лаборатории сейчас работает самый мощный лазер на планете — Texas Petawatt Laser, развивающий 1,1 петаватта (1100 тераватт или 1,1 х 1015 ватт)! Для сравнения: суммарная мощность всех электростанций мира в настоящее время составляет чуть больше двух тераватт (данные источников немного разнятся), то есть в 530-540 раз меньше.

Texas Petawatt Laser, конечно, не разрезает планеты пополам и не обесточивает всю Землю во время работы, ведь его импульс несёт всего 186 джоулей. Секрет же высокой мощности в том, что эту скромную порцию энергии лазер успевает обрушить на маленькую цель за 167 фемтосекунд. Такой миг выглядит исчезающе кратким лишь по меркам человека — в мире атомов и молекул за это время может многое произойти. Так что этот лазер позволяет проводить интересные эксперименты над материей.

Интенсивность света в луче нынешней техасской установки достигает 10 х 1021 Вт/см2, или 10 миллиардов триллионов ватт на квадратный сантиметр, что является одним из лучших показателей в мире. (Мы рассказывали, как другой американский лазер, несколько меньшей мощности, за счёт концентрации пучка "в точку" выдал рекордную интенсивность света в 20 х 1021 Вт/см2.)

От таких чисел захватывает дух, но Тодд утверждает, что людям вполне по силам создать установку мощностью в один эксаватт! Это уже тысяча петаватт – в 500 тысяч раз больше всей энергосистемы Земли. Разумеется, эту колоссальную мощность новый лазер будет выдавать в течение считанных фемтосекунд или ещё быстрее.


Общая схема лаборатории Техасского университета с петаваттным лазером. Здесь же смонтирован ещё один лазер, меньшей мощности и с куда большей длительностью импульсов аж в несколько наносекунд. Пара этих похожих установок занимает один зал, где на столах закреплено различное оборудование.
В отдельной комнате, куда идут лучи, происходит воздействие лазеров на образцы. Это помещение окружено лучевой защитой (радиация возникает при облучении целей мощными световыми вспышками). Ещё в одной комнате расположен контрольный пульт, и в отдельном помещении – шкафы с суперконденсаторами, питающими чудовищный импульс (иллюстрация University of Texas).

Даже петаваттные лучи позволяют наблюдать за поведением материи при давлениях в несколько гигабар, напряжённости электрического поля в десятки миллиардов вольт на сантиметр и релятивистских скоростях электронов в образце. Поднятие мощности ещё на три порядка – как прыжок в неизведанное.

Если длительность эксаваттной вспышки удастся сократить до 10 аттосекунд, к примеру, станет возможным создание таких экзотических образований, как атомы без ядра.


Элементы оптической системы петаваттного лазера из Техаса внешне выглядят очень скромно – обычное оборудование лазерной лаборатории (фотографии University of Texas).

Самое удивительное – для создания такой системы не потребуется изобретать что-то невиданное. Профессор из Техаса утверждает, что достаточно скомбинировать уже существующие лазерные технологии да поэкспериментировать с новыми материалами для лазерных усилителей – как и в других лазерах большой мощности, они нужны для повышения энергии в луче, изначально запускаемом в установку относительно маломощным лазером.

И тут есть одна любопытная тонкость. Напрямую усиливать до петаваттного уровня чрезвычайно короткий импульс – не получается. Из-за нелинейных оптических эффектов в усилителях будут возникать повреждения.

Однако есть изящный выход. Необычайно короткий, но маломощный импульс (к тому же – широкополосный) физики направляют в набор из зеркал, линз и дифракционных решёток, который за счёт разной длины пути для волн разной частоты растягивает импульс во времени в 10 тысяч раз. Такой пучок спокойно позволяет пропустить себя через усилитель, "отъедается" до отвала джоулями, а потом его переправляют в ещё один набор из зеркал и дифракционных решёток, который сжимает импульс во времени обратно.

Так вот, этот принцип, известный как "усиление чирпированных импульсов" (Chirped pulse amplification), по мнению Дитмайра, прекрасно подойдёт и для создания лазера мощностью в эксаватт. Фактически разработчикам нового "чудища" потребуется расширить и скорректировать дизайн нынешнего петаваттного рекордсмена.


Схема усиления чирпированных импульсов. Внизу – отдельная схема "растяжителя" светового пучка во времени. "Компрессор" работает похожим образом (иллюстрации University of Texas, wikipedia.org).

Цель Дитмайра и его команды на ближайшее будущее — доводка существующей в университете системы до уровня, когда она будет способна генерировать импульс в 200 джоулей длительностью 150 фемтосекунд (мощность в её луче тогда составит 1,333 петаватта).

Ну а реализация "эксаваттной мечты", считает физик, может занять 10 лет. Видимо, американец нацелился поставить рекорд аккурат к 60-летнему юбилею лазера.


Для празднования полувекового юбилея лазера Американское физическое общество (American Physical Society) и ряд других научных организаций запустили годовой проект LaserFest, в рамках которого по всему миру пройдут мероприятия, служащие популяризации истории лазера, его воздействия на общество и современных инноваций в данной области (go_nils/ flickr.com, TRUMPF, CTA Lasers, Griffith University).