Лазерный мир

Учёными ННГУ реализуется проект «Суперкомпьютерное моделирование лазерной плазмы с использованием программного комплекса PICADOR» В рамках Проекта 5-100 Учёными Университета Лобачевского С.И. Бастраковым, А.В. Коржимановым, И.Б. Мееровым, А.В. Башиновым, А.А. Гоносковым, Е.С. Ефименко, А.А. Муравьёвым, И.А. Сурминым реализуется проект «Суперкомпьютерное моделирование лазерной плазмы с использованием программного комплекса PICADOR». Проект реализуется совместно с Институтом прикладной физики РАН и Чалмерским технологическим университетом. В 2011 году научный мир отмечал 50 лет создания лазера. Всего чуть больше полувека прошло, как этот принципиально новый источник света был впервые создан в лаборатории. Сейчас лазерные технологии встречаются нам повсюду – от приводов персональных компьютеров и ручных указок до хирургических операционных и машиностроительных заводов. Лазерные системы продолжают непрерывно развиваться. Одним из наиболее бурных направлений такого развития на протяжении всей истории существования лазеров является увеличение пиковой мощности генерируемых импульсов. С каждым годом учёным удаётся создавать новые и новые всё более мощные лазерные комплексы, интенсивность излучения которых растёт по закону, аналогичному закону Мура, то есть экспоненциально. На данный момент зарегистрированная рекордная мощность отдельного импульса уже достигла совершенно невероятных величин – сотни тераватт (то есть триллионов ватт), она в десятки раз превосходит суммарную мощность всех электростанций мира. Конечно, и длительность импульсов измеряется всего лишь десятками фемтосекунд, то есть квадриллионными долями секунды, так что их энергия относительно невысока. Вещество, поверхность которого облучается таким излучением, начинает проявлять совершенно удивительные свойства. Во-первых, оно мгновенно ионизируется, образуя плотную плазму. Такое состояние интересно само по себе, и другими методами получить его или невозможно, или чрезвычайно сложно. Но что ещё интереснее, частицы этой плазмы, попадая в поле лазерного импульса, начинают колебаться с огромными энергиями, их скорости приближаются к скорости света. Последнее обстоятельство приводит к ряду очень интересных эффектов. Например, непрозрачная изначально тонкая металлическая плёнка вдруг становится прозрачной. Или расходящийся в обычных условиях лазерный пучок начинает вдруг самофокусироваться в такой плазме и образовывать тонкие филаменты – что-то вроде естественных световодов. При этом исследования в области физики взаимодействия сверхмощного лазерного излучения с веществом носят не только фундаментальный теоретический характер. Имеется целый ряд важных приложений разрабатываемых технологий. Лазерная плазма является источником пучков высокоэнергичных частиц – электронов, протонов и других ионов, а также импульсов рентгеновского и гамма-излучения, в том числе импульсов аттосекундной длительности (то есть в тысячу раз более коротких, чем упоминавшиеся выше фемтосекундные лазерные импульсы). Такие, как их называют, вторичные источники частиц и излучения востребованы в онкотерапии, биоимиджинге, мониторинге ядерных отходов, атомной и ядерной физике и в других областях. Сложность изучения описанной выше лазерной плазмы заключается в том, что эта система является сильно нелинейной. Это означает, что когда мощный лазерный импульс создаёт плазму, она тоже начинает влиять на импульс, модифицируя его, изменяя его форму, спектр и другие характеристики. Да и само поведение созданной плазмы невозможно описать простыми уравнениями в рамках стандартных подходов. Поведение такой системы оказывается зависящим от большого количества параметров, многие из которых сложно или невозможно контролировать в экспериментах. Всё это делает теоретическое моделирование сильно затруднённым. Аналитические подходы позволяют решать только сильно упрощенные задачи, давая лишь самое общее понимание протекающих процессов, а реалистичное численное моделирование требует высокопроизводительных вычислений и мощностей современных суперкомпьютеров. Особо большую роль численное моделирование в физике лазерной плазмы приобрело в последние два десятилетия, когда вычислительные мощности компьютеров позволили в известных приближениях рассчитывать задачи, более-менее близкие к реальному эксперименту. Сегодня есть возможность моделировать отдельные классы задач в полностью трёхмерной геометрии с реалистичными параметрами. Численные методы в этой области физики стали неотъемлемой частью не только теоретических исследований, но и экспериментальных кампаний, частично заменив отдельные подготовительные эксперименты.

Полное содержание статьи