Лазерный мир

Опубликовано kur в 20 мая, 2018 — 20:50
Внутри тесной лаборатории в Шанхае (Китай) физик Руксин Ли [Ruxin Li] с коллегами ставят рекорды при помощи самых мощных световых импульсов, какие только видел мир. В основе их лазера под названием Шанхайская сверхинтенсивная ультрабыстрая лазерная установка (Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility, SULF) лежит единственный цилиндр из сапфира с примесью титана размером с большую тарелку. После того, как в кристалле загорается свет, он проходит через систему линз и зеркал, и превращается в импульсы невероятной мощности. В 2016 году установка достигла мощности в 5,3 ПВт (петаватт, 1015 Вт). Однако в Шанхае при каждом запуске лазера свет не гаснет. Хотя эти импульсы и чрезвычайно мощные, они также чрезвычайно короткие – каждый из них длится не более одной триллионной доли секунды. Сейчас исследователи обновляют свой лазер и надеются побить собственный рекорд уже к концу этого года, создав импульс в 10 ПВт, который в 1000 раз превышает мощность всех электросетей мира.

Но амбиции группы на этом не заканчиваются. В этом году Ли с коллегами собираются начать постройку лазера мощностью 100 ПВт, названного «Станцией экстремального света» (Station of Extreme Light, SEL). К 2023 году он должен суметь запускать импульсы в комнате, находящейся в 20 м под землёй, подвергая цели воздействию экстремальных температур и давлений, не встречающихся на Земле – это будет праздник для всех астрофизиков и материаловедов. Также лазер сможет продемонстрировать новый способ ускорять частицы, который найдёт применение в медицине и высокоэнергетической физике. Но самым интересным, по словам Ли, будет показать, как свет может вырывать электроны и их двойников из антиматерии, позитроны, из пустого пространства – это явление известно под названием «разрыва вакуума». Это станет потрясающей демонстрацией взаимозаменяемости материи и энергии, которое постулирует знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна, E = mc2. Хотя ядерное оружие известно тем, что преобразует материю в огромное количество тепла и света, обратный процесс запустить не так-то просто. Но Ли говорит, что SEL справится с этим.

«Это будет очень волнительно, — говорит он. – Это будет означать, что можно создать что-то из ничего».

Китайская группа учёных «определённо служит авангардом» на пути к 100 ПВт, говорит Филипп Баксбаум [Philip Bucksbaum], физик-атомщик из Стэнфордского университета. Но соперников у них хватает. В следующие несколько лет устройства мощностью в 10 ПВт должны будут заработать в Румынии и Чешской республике в качестве частей европейской исследовательской » Инфраструктуры экстремального света», хотя этот проект недавно отложил постройку лазера мощностью в 100 ПВт. Русские физики разработали схему лазерной установки мощностью в 180 ПВт в проекте «Эксаваттного центра изучения экстремального света» (Exawatt Center for Extreme Light Studies, XCELS) , а японцы внесли предложение о создании устройства мощностью в 30 ПВт.

Учёные из США выпали из соревнования за высокие энергии, согласно исследованию, опубликованному в прошлом месяце Национальными академиями по науке, инженерному делу и медицине, группе, председателем которой был Баксбаум. Это исследование призывает Министерство энергетики США запланировать постройку хотя бы одной высокоэнергетической установки, и это даёт надежду исследователям из Рочестерского университета в Нью-Йорке, разрабатывающим планы постройки лазера на 75 ПВт, «Оптической параметрической линии усиления» (Optical Parametric Amplifier Line, OPAL). Она сможет воспользоваться преимуществами лазеров из OMEGA-EP, одного из мощнейших лазеров США.

«Отчёт академий побуждает к действиям», — говорит Джонатан Зугель, возглавляющий проект OPAL.

Лазеры, изобретённые в 1960-х, используют внешнюю систему накачки, например, импульсную лампу, для возбуждения электронов в атомах материала, лежащего в основе лазера – обычно это газ, кристалл или полупроводник. Когда каждый из этих электронов возвращается обратно в невозбуждённое состояние, он испускает фотон, который в свою очередь стимулирует ещё один электрон на испускание фотона, и так далее. В отличие от расходящихся лучей света, фотоны в лазере порождают плотно упакованный поток с определённой длиной волны.

Поскольку мощность – это энергия в единицу времени, для её максимизации есть два пути: увеличить энергию лазера или уменьшить длительность импульса. В 1970-х исследователи из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) в Калифорнии сконцентрировались на первом варианте, увеличивая энергию лазера, перенаправляя лучи через дополнительные генерирующие кристаллы, состоявшие из стекла с примесью неодима. Однако луч выше определённой интенсивности может повредить усилители. Чтобы избежать этого, в Лаборатории пришлось увеличивать их размер, до десятков сантиметров в диаметре. Но в 1983 году Жерар Муро [Gerard Mourou], сейчас работающий в Политехнической школе в Париже, и его коллеги совершили прорыв. Он понял, что краткие импульсы лазера можно растянуть во времени – сделав их менее интенсивными – при помощи дифракционной решётки, распределяющий импульс по составляющим его цветам. После того, как свет усилится до более высоких энергий, его можно заново сжать при помощи второй дифракционной решётки. В результате получится более мощный импульс, не повредивший усилитель.

Усиление чирпированных импульсов стало основой высокоэнергетических лазеров. В 1996 году оно позволило исследователям из LLNL получить первый в мире импульс мощностью в петаватт при помощи лазера Нова. С тех пор LLNL повышала энергию лазеров, пытаясь достичь ядерного синтеза.

Национальный комплекс зажигания создаёт импульсы, содержащие невероятные 1,8 МДж энергии, в попытке разогреть крохотные капсулы водорода до температур синтеза. Однако эти импульсы сравнительно длинные, и они всё равно достигают мощности не более, чем в 1 ПВт.

Чтобы увеличить мощность, учёные обратились к временной области исследований: они пытаются упаковать энергию импульса во всё более короткие промежутки времени. Один из подходов – усилить свет в сапфировых кристаллах с добавлением титана, выдающих свет с большим разбросом частот. В зеркальной камере эти импульсы, отражаясь, прыгают туда и сюда, и можно сделать так, чтобы на большей части длины импульса отдельные компоненты частот взаимно уничтожали друг друга, при этом усиливая друг друга на небольшом отрезке импульса длиной всего в несколько десятков фемтосекунд. Если накачать такие импульсы энергией в несколько сотен джоулей, можно получить пиковую мощность в 10 ПВт. Именно так SULF и другие лазеры на основе сапфира могут бить рекорды по мощности, используя оборудование, помещающееся в большой комнате, стоимостью всего в десятки миллионов долларов – при том, что Национальный комплекс зажигания стоил $3,5 млрд и занимал десятиэтажное здание площадью в три футбольных поля.

Повышение мощности импульса на порядок, с 10 ПВт до 100 ПВт, потребует ещё больше ухищрений. Один из подходов – увеличение энергии импульса с сотен до тысяч джоулей. Но лазеры на основе сапфира с титаном с трудом достигают таких энергий, поскольку крупные кристаллы, не страдающие от высоких мощностей, склонны к испусканию света под прямыми углами к лучу, таким образом, тратя энергию впустую. Поэтому учёные из проектов SEL, XCELS и OPAL возлагают надежды на оптические параметрические усилители. Они принимают импульс, растянутый дифракционной решёткой, и отправляют его в искусственный нелинейный кристалл, в котором в импульс можно направить энергию второго, накачивающего луча. Повторное сжатие получившегося высокоэнергетического импульса поднимает его энергию.

Одной из возможностей приблизиться к отметке в 100 ПВт будет комбинирование нескольких импульсов – четырёх импульсов по 30 ПВт в случае SEL и десятка импульсов в 15 ПВт в случае XCELS. Но точно наложить импульсы длительностью всего в несколько фс будет «очень, очень сложно», — говорит специалист по лазерам из LNLL Константин Хэфнер. Их может отклонить даже небольшая вибрация или изменение температуры, утверждает он. OPAL же попытается сгенерировать импульс мощностью в 75 ПВт, используя один луч.

Муро видит иной путь для достижения мощности 100 ПВт: добавление второго этапа сжатия импульса. Он предлагает использовать тонкие пластиковые плёнки для того, чтобы расширить спектр импульсов мощностью 10 ПВт, а затем сжать эти импульсы до пары фемтосекунд, чтобы резко увеличить мощность до 100 ПВт.

Когда создатели лазеров достигнут своей цели по мощности, их ждёт другая сложность: очень точная фокусировка лучей. Многие учёные больше внимания уделяют не общей мощности, а интенсивности – мощности на единицу площади. Если достичь более тонкой фокусировки, интенсивность вырастет. Если импульс в 100 ПВт получится сфокусировать на площади размером в 3 мкм, как это планирует сделать Ли на SEL, интенсивность луча в этой области достигнет невероятных 1024 на см2 — это на 25 порядков, или в 10 триллионов триллионов раз больше, чем у солнечного света, достигающего Земли.

Такие интенсивности откроют путь к разрыву вакуума. Согласно теории квантовой электродинамики, описывающей взаимодействие электромагнитных полей с материей, вакуум не такой уж и пустой, как утверждала классическая физика. На чрезвычайно малых масштабах времени пары электронов и позитронов появляются из ниоткуда благодаря неопределённости, присущей квантовой механике. Из-за их взаимного притяжения они почти сразу же аннигилируют друг с другом.

Но очень интенсивный лазер, в принципе, смог бы разделить эти частицы до их столкновения. Как и любая электромагнитная волна, лазерный луч содержит колеблющееся электрическое поле. С увеличением интенсивности растёт и сила электрического поля. При интенсивности порядка 1024 Вт/см2 поле окажется достаточно сильным для того, чтобы начать разбивать взаимное притяжение, действующее между некоторыми из электрон-позитронных пар, как говорит Александр Михайлович Сергеев, бывший директор Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, ныне – президент РАН. Лазерное поле встряхнёт эти частицы, заставляя их испускать электромагнитные волны – в данном случае, гамма-лучи. Эти лучи будут генерировать новые электрон-позитронные пары, и так далее, что приведёт к каскаду частиц и излучения, которое можно будет обнаружить.

«Это будет совершенно новая физика», — говорит Сергеев.

Он добавляет, что энергии гамма-фотонов будет достаточно, чтобы перевести атомы в возбуждённое состояние, и таким образом родится новая ветвь физики, «ядерная фотоника» – использование интенсивного света для управления ядерными процессами.

Читать далее: http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/fiziki-planiruyut-postroit-lazery-ogromnoi-moshchnosti-sposobnye-razorvat-pustoe-prostrans