В ГЛУБЬ ШКАЛЫ ВРЕМЕНИ
В.А. ПАРАФОНОВА, журналист
Физике сверхсильных полей сегодня посвящают самые представительные научные конференции. Одна из них — «Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом» — прошла в городе Сарове (Нижегородская область) в Российском федеральном ядерном центре «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ)».
L
С аров, ранее Арзамас-16, выбран для международного форума не случайно. Здесь создавали не только атомное и термоядерное оружие, но и самые крупные в Европе лазерные установки. Совершенствование этой техники идет полным ходом. Так, доктор физико-математических наук, директор отделения нелинейной динамики и оптики Института прикладной физики (ИПФ) РАН A.M. Сергеев особое внимание в докладе уделил совместному проекту ИПФ РАН и ВНИ И ЭФ по строительству в Сарове одной из самых мощных в мире установок для генерации мультипе-таватгного* излучения.
Изобретение лазеров основоположниками квантовой электроники,
* Петанаттный (пета — Ю1'4) — следующий за тераваттным (гера — I0|J) уровень мощности (прим. ред.).
будущими академиками Н.Г Басовым и А.М. Прохоровым, а также американцем Ч.Х. Таунсоном (Нобелевская премия 1964 п) привело к существенному прорыву в области уменьшения длительности импульсов излучения. Оказалось возможным получать субнаносекундные импульсы — это меньше наносекунды вплоть до пикосекунды (10" "с), а затем перейти к фемтосе-кундам (10'1' с). Сейчас речь идет уже об аттосекундах (10"'' с). Первые фем-тосекундные лазеры, генерировавшие излучение с длительностью менее 100 фс, были сконструированы в конце 80-х годов. Сейчас экспериментаторы освоили диапазон до 5 фс.
Достижение таких значений стало реальным благодаря созданию новых лазерных кристаллов. Кроме того, открыт механизм самосинхронизации мод (собственных электромаг-
нитных колебаний) в лазерах, в результате чего широкополосное излучение с разными длинами волн, генерируемое кристаллом, удается преобразовать в излучение, высвечивающееся в виде сверхкоротких импульсов. Наконец, в середине 90-х годов были разработаны оптические зеркала, позволяющие управлять задержкой световых волн при отражении в зависимости от их частоты. Развитие этих трех направлений позволило приблизиться к пределу длительностей импульсов, который могут обеспечить лазерные генераторы.
Что же дают сверхкороткие импульсы на практике? Скажем, размеры транзисторов — базы современной вычислительной техники — сегодня порядка десятков нанометров, Исследовать процессы, происходящие в этих полупроводниковых уст-
Тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс в ИПФ РАН. На переднем плане — задающий лазерный генератор на активном кристалле титана
с сапфиром (яркое пятно в красном ореоле); зеленый луч — накачка кристалла излучением неодимового лазера. На заднем плане — неодимовые лазеры накачки задающего генератора и нескольких каскадов усиления фемтосекундного излучения.
роиствах все меньшего и меньшего размера, можно только с помощью импульсов фемтосекундной длительности. Ведь характерные времена «событий», важных для современной электроники, меньше пикосе-кувды: именно такая мизерная доля времени требуется электрону на преодоление расстояния в несколько десятков нанометров.
Другой пример — телекоммуникации. Чтобы передавать максимальный объем информации в единицу времени, излучение должно быть как можно более широкополосным. Диапазон передачи до 10 Гбит/с практически освоен, причем не только в оптических системах. Если же говорить о достижении скорости больше терабита в секунду, то от фемтосекундного диапазона никуда не уйти.
Еще одна сфера, где основную роль играет длительность импульсов, — создание сверхсильных электромагнитных полей. Чтобы их получать, надо либо увеличивать энергию, либо уменьшать время, либо сужать пятно, в которое фокусируется излучение. Наращивание энергии потребует все большего числа конденсаторов. Кстати, уникальнейшее сооружение в Евразии — лазерный комплекс ВНИИЭФ «Искра-5» — занимает целый дом.
Более эффективное решение данной проблемы — уменьшение длительности импульса, что означает увеличение интенсивности излучения. Уже сейчас в некоторых лазерных системах она доходит до 10й'—10"' Вт/см2. Если такое излучение посылать в вещество, то получится новое его состояние — плазма с удивительными свойствами, о которых пока известно очень мало. Она становится источником рентгеновского излучения с огромной энергией квантов вплоть до гамма-диапазона и испускает высокоэнергетичные ионы (до десятков мегаэлектронвольт). Подобные эффекты можно использовать в разнообразных областях — от физики элементарных частиц до медицины.
И это далеко не все приложения фемтосекундной оптики. Ее возможности, и реализуемые на практике, и потенциальные, позволяют поставить данный раздел физики в число наиболее быстро развивающихся.
Есть еще одна область применения лазерных импульсов, непосредственно не связанная ни с быстрыми процессами, ни с сильными полями. Еще в 60-х годах ученые научились лоци-ровать подводные объекты на глубине нескольких десятков метров с помощью наносекундного лазерного излучения. Что же касается фемтосе-
кундного, то оно позволяет изучать неоднородности биоткани масштабом порядка 10 мкм. Именно на такой глубине развивается немало патологий, в том числе онкозаболеваний.
В ИПФ РАН созданы фемтосе-кундные оптические томографы для неинвазивной (неповреждающей) оптической биопсии. В отличие от принятых в практике методов данный позволяет не прибегать к иссечению фрагментов ткани — ее структура в области между эпителием и подлежащими слоями и так прекрасно видна. Пять лет назад нижегородские физики и медики с помощью упомянутых приборов первыми в мире составили альбомы томограмм практически всех внутренних органов, чем внесли существенный вклад в новую область науки — оптическую томографию.
Овладеть управляемым термоядерным синтезом — значит научиться использовать для нужд энергетики реакцию синтеза дейтерия с тритием. Если очень быстро нагреть их смесь, например, лазерным импульсом, то благодаря свои"! инерции последняя «разлетится» не сразу. В этом состоит суть метода инерционного удержания плазмы.
Установки, созданные для лазерного термоядерного синтеза (как и «Искра-5»), имеют плазменную ка-
Вверху — разработанный в ИПФ РАН компактный оптический томограф.
Внизу — полученное с его помощью изображение (2,5 х 1 мм) слизистой гортани на границе опухоли (справа) и здоровой ткани (слева).
меру, в центр которой помещают дейтерий-тритиевую мишень. На ней фокусируют излучение нескольких мощных лазерных пучков с дгщ-
А" 10
тсльностью импульса до 10 с и суммарной мощностью порядка 10 Вт. Тогда расширяющиеся газы и световое давление должны сжать дейте-рий-тритпевую смесь примерно в 50 тыс. раз и нагреть до 10 кэВ (около 120 млн. °С). Оболочка, в которой находится смесь, испарится, давление в последней возрастет до 1 млн. атм, а плотность — до 50—100 г/см (такие условия сохраняются лишь на время действия лазерного импульса). Туг-то и может начаться термоядерная реакция с выделением нейтронов и большого количества энергии в каждом акте синтеза — 17,6 МэВ.
Стало быть, в термоядерном направлении главная задача сейчас — «зажечь» мишень. Для этого предложена «быстрая» схема: один мощный
лазерный импульс обжимает мишень, а с помощью другого, очень короткого, фсмтосекундного, вводимого со стороны, возможен поджиг термоядерного горючего. Так что здесь без фемтосекундных лазеров не обойтись.
Исследования, проведенные в США. Японии, России, привели к созданию расчетно-теоретических моделей, позволяющих разрабатывать конструкцию термоядерной мишени и определять характеристики лазерного излучения (энергию, длину волны, форму импульса и др.), необходимые для зажигания в лабораторных условиях. Последнее требует больших энергий, чем на ныне существующих в мире установках. Следовательно, нужны лазеры нового поколения. В США и Франции уже приступили к их строительству и планируют полу тать выходную энергию около 2 МДж. В
Японии разрабатывают установку КОМ .ОН.
Во ВНИИЭФ тоже есть планы по развитию существующих и созданию новых мощных лазерных систем. Его сотрудники спроектировали установку следующего поколения на основе неодима — «Искру-6». Она будет состоять из 16 модулей по 8 лазерных каналов в каждом. Кстати, кпд неодимовых лазеров выше йодных, используемых на «Искре-5», а стоимость ниже.
Сейчас сооружается первый модуль установки «Искра-6» — «Луч». Уже готов один его лазерный канал, а всего будет четыре с полной энергией излучения 12—16 кДж. Основная цель «Луча» — проверка правильности выбора конструкции «Искры-6», отрабогка ее ключевых элементов, а главное — создание на его базе уникального фемтосекундного источника петаваттного уровня мощности,
\=
Нелинейный кристалл йКйР (330 х 320х20мм), созданный в Институте прикладной физики РАН.
который позволит экспериментально изучить особенности схемы «быстрого» поджига. Вот что говорит об этом А. М. Сергеев:
— Для нас важны два момента: наличие мощного кДж-лазера в системе «Луч» во ВНИИ ЭФ и то, что мы у себя, в ИЛФ РАН, выращиваем ши-рокоапсртурные нелинейные кристаллы. А они — основа проекта муль-ти п ета ваттн о го п а р а мет р и ч ее ко го усилителя. Принцип его действия базируется на процессе распада одного кванта света на два при распространении в нелинейном оптическом кристалле. Для оптимального проявления такого эффекта мы
синтезировали уникальные водорастворимые кристаллы, получившие название КОР и ОКО Р.
Надо сказать, что в мире, пожалуй, есть лишь два-три места, где делают нечто подобное. Но столь широко-апертурные кристаллы, до 40 см в диаметре, и такого высокого качества врядли сегодня где-либо можно найти. Кроме того, наша технология позволяет выращивать кристалл со скоростью К) мм в сутки — это очень хороший показатель.
Так вот, в ИПФ РАН мы планируем сделать две ступени параметрического усиления ■ до уровня приблизительно 100 ТВт — и проверить
все принципы работы. Затем предполагается установить систему в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.