Лазерный мир

Зачем нобелевский лауреат сотрудничает с российскими физиками
Нобелевская премия по физике за 2018 год была присуждена трем ученым, создавшим оптический пинцет и усилитель для ультракоротких световых импульсов. Метод усиления импульсов был предложен французским физиком Жераром Муру и канадской исследовательницей Донной Стрикленд; при этом Жерар Муру некоторое время работал в Нижнем Новгороде, где расположен один из самых мощных лазеров мира.

Франция — США — Франция — Россия

Жерар Муру родился в 1944 году во Франции и в 1967 году закончил университет в Гренобле. После этого он долгое время работал в США, где в 1985-м вместе со своей аспиранткой Донной Стрикленд разработал тот самый метод чирпированного усиления импульсов, за который и получил Нобелевскую премию по физике 2018 года: короткая вспышка света очень малой длительности падает на дифракционные решетки, превращается в импульс большей длины, проходит через усилитель, а затем опять сжимается при помощи второй пары дифракционных решеток. Эта технология фактически открыла новую область оптики и не только: сверхмощные лазерные импульсы сейчас активно используются для исследований высокотемпературной плазмы, лазерный скальпель нашел применение в хирургии, и это далеко не полный перечень практических приложений детища Муру и Стрикленд. В 2004 году физик вернулся домой во Францию, а в 2010 году выиграл конкурс по программе мегагрантов, который проводился российским правительством для привлечения в страну ведущих ученых. Размер финансирования был существенно выше предыдущих конкурсов такого рода — среди откликнувшихся и выигравших оказался выбравший работу в Нижегородском государственном университете французский исследователь.

Жерар Муру на выступлении, посвященном Нобелевской премии 2018 года по физике. Источник: Ecole polytechnique / CC BY-SA 2.0

Лаборатория экстремальных световых полей в НГУ имени Лобачевского вместе с Институтом прикладной физики сегодня работает с лазерной системой, которая обеспечивает фокусировку излучения с мощностью порядка 1022 ватт на квадратный сантиметр. Для сравнения: Солнце передает Земле «всего» чуть менее 2*1017 ватт, так что нижегородские лазеры на ничтожно короткое время создают тот же эффект, какой возник бы при фокусировке солнечного света с площади в 50 тысяч раз больше сечения всей планеты! Такая высокая мощность была достигнута, безусловно, не сразу, но работы в этом направлении велись давно.

Отвечая на вопрос «Чердака» о том, почему один из мировых экспертов по мощным лазерам выбрал именно Нижний Новгород, Ефим Хазанов, заместитель директора ИПФ РАН, сказал: «У нас уже тогда был один из мощнейших лазеров мира, так что интерес Муру был понятен. Кроме того, он поддерживал с нами связи ранее: Муру был на нашей конференции в 2001 году, а Александр Сергеев (ныне президент РАН, а до того заместитель директора и директор ИПФ) хорошо знаком с ним лично. Впрочем, Муру в принципе очень контактный исследователь: у него много знакомых и у нас, и в Москве, и в Новосибирске. Мы продолжаем с ним постоянно общаться, недавно виделись на конференции в Германии, а сейчас к нему улетает в командировку один из сотрудников, Сергей Миронов». Лазерами в Нижнем Новгороде занимаются не одно десятилетие.

На фото 1985 года сотрудник ИПФ АН СССР готовит пикосекундный лазер к эксперименту. Фото: Щукин Алексей /

Фотохроника ТАСС Говоря о научном сотрудничестве с французским исследователем, Сергей Миронов, старший научный сотрудник лаборатории, рассказал «Чердаку»: «С профессором Жераром Муру я познакомился в 2008 году на конференции, которая была организована ИПФ РАН. А далее при его поддержке я проводил ряд исследований в крупных научных центрах мира, таких как INRS, Ecole Polytechnique, где занимался разработкой методов увеличения пиковой мощности интенсивных лазерных импульсов за счет дополнительного сокращения их длительности». Как пояснил некоторое время назад глава Российской академии наук Александр Сергеев, французский исследователь продолжит работу с нижегородской лабораторией, тем более что сейчас российские физики рассматривают проект постройки лазерного комплекса еще большей мощности, XCELS. Для комплекса, который, по оптимистичным оценкам, может быть построен в ближайшие семь лет, потребуется 12 лазеров, подобных работающему сейчас PEARL (английская аббревиатура от слов PEtawatt pARametric Laser, «петаваттный параметрический лазер», складывается в слово pearl, «жемчужина»).

Мощнее, но бережнее

Нарастание мощности излучения вначале приводит к тому, что вещество в лазерном луче нагревается все сильнее — вплоть до плавления и испарения. Лазеры массово используются от гравировки на клавишах ноутбука до раскроя стальных плит, но увеличение мощности дает не просто способность прожигать предметы потолще. С ростом мощности серьезно меняется физика взаимодействия с веществом, и это радикально меняет сферу применения лазеров, иногда даже несколько парадоксальным образом. Например, лазер, которым офтальмологи оперируют роговицу, имеет большую мощность, чем станок для резки металла, и именно рост мощности позволяет минимизировать нежелательные побочные эффекты. Лазеры перестали быть чисто лабораторной игрушкой для ученых и используются повсеместно, например в производстве. Фото: Александр Рюмин / ТАСС Тот парадокс, что роговицу оперируют инструментом большей мощности, чем тот, который применяется при резке стальных пластин, легко объяснить.

Увеличение мощности возможно либо за счет повышения энергопотребления выдающего непрерывный луч лазера, либо за счет работы в импульсном режиме, когда энергия невелика, но зато сосредоточена в очень коротком «пыщь».

Мощная вспышка может мгновенно испарить часть материала, но при этом слабо нагреть окружающий материал. Соответственно, импульсный лазер сможет более аккуратно выполнить разрезы, не затрагивая их окрестности. Медицинский лазер выдает вспышки очень малой энергии (порядка сотен наноджоулей), однако предложенный Муру и Стрикленд метод получения сверхкоротких импульсов позволяет добиться того быстрого испарения, которое невозможно получить на выдающих непрерывный луч промышленных станках.

Комментируя «Чердаку» выбор Муру и Стрикленд в качестве нобелевских лауреатов, Наиль Иногамов, ведущий научный сотрудник Института теоретической физики и специалист по взаимодействию лазерного излучения с веществом, пояснил, что точная обработка поверхности не просто позволила бережнее оперировать пациентов или аккуратнее резать материалы.

«Это новый метод, при помощи которого можно создавать материалы с упорядоченными структурами на поверхности — водоотталкивающие, например. Или метаматериалы с упорядоченными структурами для оптики. Причем это не только зеркала и прочие оптические элементы для видимого света, но также элементы для активно развивающейся технологии рентгеновских лазеров». То есть одни лазеры фактически открывают путь к созданию других, с еще более впечатляющими характеристиками. В Нижнем Новгороде как раз работают с установками, чья мощность многократно превосходит лучшие прикладные лазерные устройства.

Еще мощнее — навстречу коллайдеру Увеличивать мощность дальше для практических задач вроде хирургических операций или изготовления каких-либо деталей неоправданно: стоимость оборудования растет, а качество резки не повышается. Более того, при очень высокой мощности лазерное излучение начинает взаимодействовать с веществом — в обычном воздухе, например, луч создает плазменные жгуты. Эти явления, с одной стороны, сильно мешают при постройке установок экстремальных мощностей (плазма может прожечь части самого лазера), а с другой — их изучение способно привести к разного рода интересным наблюдениям.

Так, в Институте прикладной физики и ряде других научных центров по всему миру изучают возможность ускорения элементарных частиц при помощи мощных лазерных импульсов. Недавно проведенный в ЦЕРН при участии физиков из Сибирского отделения РАН эксперимент показал, что лазерный ускоритель электронов может быть намного компактнее обычного, и это дает возможность выйти на постройку исследовательских комплексов, способных вывести нас на новый уровень понимания Вселенной.

Фактически эта технология может со временем заменить традиционные коллайдеры, которые практически достигли технологического предела по энергии частиц. Несмотря на то что лазерные технологии обещают нам следующий шаг на пути к познанию тайн Вселенной, крест на более традиционных установках человечество пока не ставит.

Не игнорируют их и в России: в Дубне заканчивается стройка коллайдера NICA, на которой недавно побывал корреспондент «Чердака». Если говорить не о меганауке в чистом виде с ее гигантскими ускорителями для познания тайн Вселенной, то лазерное ускорение способно внести свой вклад в борьбу с раком, сделав доступнее лучевую терапию при помощи разогнанных до гигаэлектронвольта протонов и заменив громоздкий дорогой ускоритель более компактной установкой. Подобное протонное облучение позволяет точнее выжигать злокачественные опухоли и уменьшить радиационную нагрузку на соседние ткани.

Еще мощнее — и вакуум перестает быть просто пустотой

При очень высоких мощностях лазерный луч может создавать рентгеновское и гамма-излучение, а при еще больших значениях — тех, до которых физики намерены добраться в ближайший десяток лет, — в сверхсильном электромагнитном поле начинают рождаться пары из частиц и античастиц. Этот эффект крайне интересен ученым: тут и получение антивещества, и возможность посмотреть в стенах лаборатории на процессы, которые проистекали лишь где-то в начале существования Вселенной.

«Наиболее интересно — хотя это и не самая ближайшая перспектива, тут надо минимум лет десять — это физика вакуума, — рассказал Ефим Хазанов. — В тех сверхсильных полях, которые еще не получены, но которые уже явно неподалеку, можно будет экспериментально проверить то, что сегодня активно прорабатывается теоретиками. Это и рождение пар, и нелинейные свойства вакуума, и многое другое. Вакуум в полях более 1025 ватт на сантиметр квадратный оказывается не просто пустым местом: в нем рождаются пары частиц и античастиц, он активно взаимодействует с излучением, и это, конечно, очень интересно изучить в лабораторных условиях». Физик добавил, что лазерные установки такого класса планируют создать в США, Европе, Китае и России. В России это проект XCELS, но пока решение о строительстве XCELS не принято. «Это проект класса мегасайенс, то есть большая установка и около десяти лет работы», — сказал ученый.

Источник: https://chrdk.ru/tech/zhirar-muru-i-nizhegorodskie-lazery