Лазерный мир

Одним из определяющих условий получения значимых научных достижений являются уникальные экспериментальные установки. Именно такая установка построена в Институте прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород). Это – сверхмощный петаваттный (1015 ватт) фемтосекундный (10–15 с) лазер PEARL (PEtawatt pARametric Laser).

Петаваттные монстры

Сразу надо отметить, что у PEARL уже есть «наследник» – аналогичный по принципам усиления лазер XCELS (еXawatt Center for Extreme Light Studies) с проектной мощностью уже как минимум в 100 петаватт для двухканального варианта. В случае запланированной в перспективе 12-канальной системы полная мощность излучения достигнет 600 петаватт, что почти в 100 раз превышает недавние рекордные значения.

Конечно, согласовать по времени все процессы в огромной лазерной системе с усилителями, разветвителями и компрессорами света на таких малых временных масштабах – отдельная задача. Требуется, чтобы все 12 усиленных фемтосекундных импульсов сошлись в фокусной точке в фазе. Но, похоже, эта сложнейшая задача в Институте прикладной физики в целом решена.

Отметим, что с момента создания в начале 1960-х годов первых лазеров пиковая мощность излучения постоянно растет и недавно достигла мультипетаваттного уровня. Целый ряд лабораторий в мире располагает лазером мощностью в 1 петаватт. Эти лазеры позволяют проводить уникальные исследования в области физики высоких энергий и астрофизики, а также могут в недалеком будущем применяться в материаловедении и биомедицине.

Каждый такой лазер – внушительная оптическая машина, занимающая большой зал, который световой импульс пронизывает прихотливым зигзагом, проходя по пути различные трансформации. Исходный очень короткий (несколько периодов поля) импульс вначале растягивают, чтобы его можно было усиливать без ущерба для материала самого усилителя. А уже потом усиленный импульс окончательно сжимают в специальном компрессоре.

И растяжение, и сжатие светового импульса осуществляется с помощью так называемых дифракционных решеток, которые, как и более привычные нам призмы, обладают дисперсионными свойствами. Короткий импульс можно представить в виде набора гармоник разных длин волн. И каждая длина волны что в решетке, что в призме из-за дисперсии проходит свой путь – это и позволяет на входе лазера растягивать импульс, а на выходе сжимать.

Кристаллы DKDP

Импульс усиливается в несколько этапов, но принцип в этой лазерной конструкции общий – параметрическое усиление на удивительном кристалле DKDP (дигидроортофосфат калия). Он обладает нелинейными свойствами, что принципиально для параметрического усиления.

Кристаллы DKDP выращивают тут же, в Институте прикладной физики. Кристаллография в Нижнем Новгороде имеет свою почтенную традицию, и в рамках этой традиции в ИПФ РАН в свое время была разработана технология получения этих водорастворимых кристаллов большой величины, что важно. Размер имеет значение, ведь плотность энергии в лазерном луче такова, что может разрушить любой материал. Чтобы избежать разрушения, апертура (характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять размытию деталей изображения) должна достигать нескольких десятков сантиметров. И вырастить подходящий кристалл размера 30 на 30 см – отдельная сложная задача, и она тоже решена в Институте прикладной физики РАН.

В кристалле DKDP реализуется трехволновое взаимодействие, когда энергия перекачивается от одной волны к другой. Принцип параметрического усиления преподаватели физики любят пояснять на примере качелей: вовремя приседающий и вовремя привстающий на качелях человек меняет параметры системы – важно все делать в такт или, как говорят физики, важно обеспечить синхронизм колебаний. Что в случае лазерного усилительного каскада обеспечить, пожалуй, посложнее, чем в примере с качелями.

Не будем забывать и о том, что на вход усилительного каскада подается растянутый импульс, то есть не одночастотный сигнал, а целый набор близких частот. И условия синхронизма должны выполняться не для одной частоты, а для определенной полосы частот. Эти условия обеспечить очень непросто, но тут помогают свойства кристалла, обладающего подходящей анизотропией (различие в свойствах среды по разным направлениям) для обеспечения синхронизма в некоторой полосе частот.

Так или иначе, тонкой подгонкой целого ряда параметров удается добиться усиления. И тут наступает заключительный, тоже весьма важный акт этого оптического спектакля.

Усиленный, но длинный импульс поступает в компрессор, где он сжимается до невероятной фемтосекундной длительности. Его мощность, то есть энергия в единицу времени, неимоверно возрастает. Эту операцию по сжатию мощного импульса можно проводить только в вакууме, в резервуаре из которого выкачан воздух и внутри которого размещена система дифракционных решеток. Из-за дисперсионных свойств решетки длинный импульс сжимается, превращаясь в тончайший световой «блин».

Вот этот «блин», несущий огромную энергию, способен на удивительные операции со средой. Если он фокусируется на вещество – твердотельную мишень или струю жидкости или газа, то вещество на пути светового луча такой высокой интенсивности мгновенно испаряется, ионизируется, превращаясь в плазму из заряженных частиц – электронов и ионов. Лазерный импульс способен ускорять эти частицы.

Физика этого процесса довольно сложна. В первом приближении можно описать ее так: давление света «сталкивает» с пути более легкие электроны, но не успевает столкнуть «на обочину» более тяжелые ионы. Они образуют компактную область положительного заряда, способную ускорять пучки заряженных частиц – как электронов, так и протонов.

В результате можно получить электронные и протонные пучки огромной энергии, подобные тем, что получают на ускорителях. Притом что лазерные системы, применяемые в качестве ускорителей частиц, компактнее и дешевле в производстве и в эксплуатации. Получаемые от лазерного ускорителя протонные и электронные потоки могут использоваться в дефектоскопии различных материалов, а также в диагностике и лечении опухолей – тут перспективы весьма широки, и работа в этих направлениях идет очень интенсивная.

Рожденные из вакуума

Существует и еще более экзотичный эффект. Если в луч сверхмощного лазера попадает «затравочный» электрон, то, осциллируя в сверхсильном электрическом поле лазерного импульса (не будем забывать, что свет – это электромагнитная волна), он способен испустить гамма-квант. Который, в свою очередь, порождает из вакуума – в соответствии с квантовой электродинамикой – пару частиц, электрон и позитрон.

Родившиеся из вакуума частицы тоже получают энергию от лазерного света – и порождают электрон-позитронную пару уже следующего поколения. Процесс становится лавинообразным, и в лазерном фокусе образуется удивительная субстанция – электрон-позитронная плазма, причем огромной плотности.

Объем, где возникает это новое состояние материи, невелик по нашим макроскопическим меркам – его линейный размер порядка миллионной доли метра. Но в сравнении с размером электрона, а главное, с учетом числа электронов и позитронов в «сгустке света», – это целый мир.

Мир, где могут происходить весьма неожиданные вещи, которые трудно даже предсказать. Мы можем только ожидать, что, как и в любой плотной плазме, там наверняка возникнут коллективные эффекты – группировки частиц, колебания и волны. Физика ансамблей частиц в полях высоких интенсивностей будет довольно непривычной. Заряженные частицы, захваченные сильным полем, могут оказаться «вмороженными» в его силовые линии – что-то подобное происходит в магнитосферах звезд и в окрестностях черных дыр, где огромные температуры и плотности сочетаются со сверхсильными магнитными полями.

Таким образом, порожденная сверхмощным лазером электронно-позитронная плазма вместе с большим числом гамма-квантов внутри себя может стать удачной (и при этом уникальной!) моделью околозвездных процессов. В такой плазме могут наблюдаться плазменные «пинчи» – электронные и позитронные струи, «сжатые» магнитным полем до экстремально малой толщины. Интересно, что такие необычные объекты характерны и для плазмы в магнитосферах звезд.

Так что в поговорке «через тернии к звездам» слово «тернии» может получить квантово-электромагнитную интерпретацию – как труднейшего препятствия на пути концентрации электромагнитной энергии сверхмощным лазером. Или, как писал замечательный поэт Александр Введенский в 1930-е годы, в те времена, когда о лазерах еще никто ничего не знал: «из железа… в каплю света». 

 Источник: https://www.ng.ru/science/2025-02-25/13_9200_light.html