Наука и природа

• Петаватты, фемтосекунды и термояд

  В городе Сарове (ранее Арзамас-16) Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) провел IV Харитоновские научные чтения "Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом". На конференции обсуждались вопросы, связанные с осуществлением термоядерной реакции в лазерной вспышке (см. "Наука и жизнь" № 2, 2003 г.). А в докладе Александра Михайловича Сергеева из Института прикладной физики РАН особое внимание было уделено "совместному проекту ИПФ - ВНИИЭФ по строительству петаваттного параметрического усилителя света на широкоапертурных (большого диаметра. - Прим. ред.) кристаллах DKDP".

  Речь шла о создании в Сарове одной из самых мощных в мире лазерных установок для генерации мультипетаваттного излучения. Пета- (10¹⁵) - это следующий за тераваттным (тера- 10¹²) уровень мощности. Ливерморская национальная лаборатория (США) на строительство своей петаваттной установки истратила не один десяток миллионов долларов. Поэтому гнаться за ними бессмысленно, таких денег у российской науки нет. Оказалось, однако, что имеет место одно очень интересное обстоятельство.

  В глубь шкалы времени

  Когда исследователи говорят о переднем крае науки, они прежде всего имеют в виду процессы, протекающие в очень малых пространственных и временных интервалах. Именно те временные масштабы, которые физики умеют получать и использовать, и определяют уровень научного и технологического прогресса. Существенный прорыв в этой области произошел после изобретения лазеров. С их помощью человечество одним скачком продвинулось в глубь шкалы времени: лазеры позволили достаточно просто получать субнаносекундные импульсы - короче 10^-9 секунды, вплоть до пикосекунд (10^-12 с), перейти к фемто- (10^-15 с) и аттосекундам (10^-18 с). В конце 80-х годов были построены первые лазеры, способные генерировать излучение с длительностью менее 100 фемтосекунд, сейчас экспериментально освоен диапазон длительностей около 5 фемтосекунд.

  Эти лазеры сделаны благодаря мощному технологическому прогрессу в создании новых лазерных кристаллов. К тому времени был синтезирован кристалл с очень красивым названием - титансапфир (сапфир, в кристалл которого введены атомы титана), самая популярная в физике сверхбыстрых процессов рабочая среда - почти все фемтосекундные лазеры работают на его основе. Это первое. Второе - открытие нового механизма самосинхронизации мод (типов колебаний) в лазерах, который заключается в том, что лазер генерирует несколько мод с определенными фазовыми соотношениями. При их сложении из широкополосного излучения с разными длинами волн возникают сверхкороткие импульсы. Ну и третье, тоже технологическое достижение: в середине 90-х годов созданы интерференционные оптические зеркала нового типа - дисперсионные. Они отражают свет не только поверхностью, но и слоями, лежащими в глубине зеркала. Причем разные частоты электромагнитной волны отражаются с разной глубины и, следовательно, проходят разные расстояния, и это позволяет управлять задержкой световых волн в зависимости от их частоты, компенсируя расплывание лазерного импульса.

  Итак, три момента: создание новых кристаллов, понимание механизмов самосинхронизации колебаний, а также новые оптические элементы для частотного широкополосного контроля лазерных резонаторов - позволили выйти в середине 90-х годов на уровень 10 фемтосекунд. К концу ХХ столетия специалисты уже научились получать лазерные импульсы длительностью 5 фемтосекунд, что составляет примерно две длины волны, и фактически приблизились к пределу, который могут обеспечивать лазерные генераторы. Дальше непременно должен последовать прорыв в иную область, где в основу создания сверхкороткоимпульсных источников света будут положены совершенно иные принципы. Так что, судя по потенциалу заложенных в ней возможностей, которые она имеет, и по тем приложениям, которые она уже продемонстрировала, фемтосекундная оптика принадлежит к числу наиболее быстро развивающихся разделов физики. Неслучайно, видимо, и президиум Российской академии наук рекомендовал среди немногих направлений для приоритетного финансирования фемтосекундную оптику наряду с суперкомпьютерами и молекулярной биологией.

  Импульсы сверхкороткой длительности позволяют продвинуться в глубь шкалы времени. Это означает, что диагностика сверхбыстрых процессов приобрела очередной чувствительный инструмент, который позволяет изучать стремительные процессы, подвластные лишь "часам" с фемтосекундной "стрелкой". Размеры современных полупроводниковых приборов - десятки нанометров. И если исследовать процессы, происходящие в транзисторах - основного элемента всей современной вычислительной техники, и делать чипы все меньшего и меньшего размера, то без фемтосекундных импульсов вообще не обойтись. Ведь характерные времена "событий", которые важны для современной электроники, меньше пикосекунды: именно пикосекунды требуются электрону на преодоление расстояния, скажем, в 20-30 нанометров. Это первое.

  Второе очевидное приложение - телекоммуникации. Чтобы передавать все больше информации в единицу времени, несущее излучение должно иметь как можно более высокую частоту. Именно поэтому связь сначала перешла с длинных радиоволн на короткие и ультракороткие, а затем освоила и световой диапазон. Сегодня скорость передачи до 10 гигабит в секунду практически освоена, причем не только в оптических системах. Даже в электронных устройствах, современных "Пентиумах", тактовая частота давно перевалила за гигагерц - 10⁹ бит информации в секунду. На очереди 10¹² бит в секунду - терабит. А это означает, что, если кодировать информацию при помощи временной последовательности импульсов, длительность каждого из них должна быть уже меньше 10^-12 секунды, то есть лежать в фемтосекундном диапазоне.

  Еще одно приложение ультракоротких лазерных импульсов - создание сверхсильных электромагнитных полей. Чтобы получать их, нужно либо увеличивать энергию импульса, либо сокращать его длительность, либо уменьшать площадь пятна, в которое фокусируется излучение.

  Энергию вспышки можно увеличивать не до бесконечности: рабочее вещество лазера не выдерживает и разрушается. Кроме того, она определяется энергией, запасенной в конденсаторах, питающих лазерный комплекс. И если, скажем, от джоуля переходить к килоджоулю, потребуется в тысячу раз большая батарея конденсаторов. Поэтому-то уникальнейшее сооружение на всей Евразийской территории - лазерный комплекс ВНИИЭФ "Искра-5" - занимает целый дом.

  Гораздо более эффективный путь решения этого вопроса - уменьшение длительности импульса. Уже есть лазерные системы, в которых плотность мощности излучения доходит до 10²⁰-10²¹ Вт/см². Когда подобное излучение реагирует с веществом, получается новое его состояние - плазма, но с совершенно удивительными свойствами, о которых пока известно очень мало. Она становится источником излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах. Из нее вылетают электроны и ионы, обладающие огромной энергией до десятков мегаэлектронвольт. Подобные эффекты можно использовать в самых разнообразных приложениях: от ускорителей элементарных частиц до медицины. Они составляют предмет нового научного направления - физики сверхсильных полей.

  "Биолокация" в мутной среде

  Еще одно приложение, которое непосредственно не связано ни с быстрыми процессами, ни с сильными полями, - лазерная локация. Когда в 60-х годах прошлого века построили первые сине-зеленые лазеры, научившись получать вторую гармонику излучения мощных неодимовых лазеров, сразу стало ясно, что с помощью такого излучения можно проникать под воду на глубину нескольких десятков метров и обнаруживать находящиеся там объекты. Преобразование излучения во вторую гармонику осуществляется в нелинейных кристаллах, именно таких, которые ученые из ИПФ РАН и ВНИИЭФ используют в своем проекте петаваттного усилителя света. Но об этом немного позже.

  При помощи очень коротких импульсов можно находить объекты, скрытые даже в рассеивающих излучение средах. Причем, чем импульсы короче, тем с лучшим разрешением можно проникать в так называемые "мутные среды", например в биологические ткани, которые сильно рассеивают излучение (если бы не было рассеяния, мы в инфракрасном диапазоне были бы насквозь прозрачными).

  С помощью фемтосекундного излучения можно находить неоднородности биологических тканей размером порядка 10 микрон на глубине 1,5-2 миллиметра, именно там, где нередко начинается большинство онкологических заболеваний и других патологий.

  Созданные в Институте прикладной физики РАН фемтосекундные оптические томографы позволяют также проводить так называемую неинвазивную, то есть неповреждающую, биопсию. При биопсии из подозрительной ткани щипчиками отделяют кусочки и проводят их гистологические исследования. А оптический томограф без всякого хирургического вмешательства показывает наличие патологии и ее границу со здоровой тканью. Нижегородские физики и медики - первыми в мире - создали альбомы томограмм практически всех внутренних органов, внеся вклад в новую область науки - когерентную оптическую томографию. За эту работу они были удостоены Государственной премии.

  Но нижегородские ученые не останавливаются на достигнутом. Доклад А. М. Сергеева на Саровской конференции "О развитии работ по созданию источников сверхкоротких оптических импульсов" стал едва ли не основным на главной секции конференции "Проблемы лазерного термоядерного синтеза".

  А при чем здесь термояд?

  Проблема управляемого термоядерного синтеза будет считаться решенной, если удастся использовать для нужд энергетики наиболее предпочтительные ядерные реакции синтеза дейтерия с тритием. Лазерный термоядерный синтез, так называемый "лазерный термояд", стал одним из альтернативных путей синтеза легких ядер для получения энергии. Главная задача в термоядерном направлении - "зажечь" мишень, в том числе и с использованием новой схемы "быстрого поджига". И вот здесь-то без фемтосекундных лазеров никак не обойтись. Ведь по этой схеме процессы поджига и обжатия мишеней разнесены: сначала мощный лазерный импульс обжимает мишень, а затем другой, очень короткий фемтосекундный импульс поджигает термоядерное горючее.

  Сейчас разрабатывается первый модуль установки "Искра-6" под названием "Луч". Основная цель его создания - отработка ключевых элементов лазерного канала, проверка правильности выбора конструкции "Искры-6". Будет она когда-либо построена или нет - вопрос другой. Но "Луч" как таковой интересен уже сам по себе. Вот теперь мы и вернемся к беседе с нижегородским физиком.

  - Два момента: наличие мощного килоджоульного лазера в системе "Луч", здесь, во ВНИИЭФе, и то, что мы научились делать нелинейные кристаллы большого диаметра, - стали основой проекта по созданию мультипетаваттного параметрического усилителя, в котором обычное лазерное усиление заменено усилением параметрическим, - рассказал Александр Михайлович Сергеев. - В обычном лазере рабочее вещество переводится в возбужденное состояние накачкой с помощью какого-то источника излучения: другим лазером, взрывом или лампой. Приходит импульс света, и запасенная энергия сбрасывается. Это обычный принцип лазерного усиления.

  Параметрическое усиление устроено совершенно по-другому. Оно основано на том, что существует нелинейно-оптический процесс распада одного кванта света на два. Частота распадающегося кванта равна сумме частот двух таких квантов: закон сохранения энергии выполняется. Распад квантов происходит в нелинейном оптическом кристалле. Ученые синтезируют специальные кристаллы для наиболее эффективного проявления этого нелинейного оптического эффекта. В частности, в нашем институте выращиваются уникальные нелинейно-оптические кристаллы. Это давно применяемые в лазерной технике кристаллы дигидрофосфата калия (KDP) и те же кристаллы, но с тяжелой водой вместо обычной (DKDP). Их водные растворы осаждают на подложку, выращивая ориентированную и профилированную заготовку. Созданная нами технология быстрого направленного роста позволяет выращивать кристалл со скоростью до 10 миллиметров в сутки - это очень хороший показатель.

  Так вот, оказалось, что параметрическое усиление можно использовать вместо лазерного усиления. Причем сочетание двух факторов - мощной накачки и использования нелинейного кристалла большого диаметра - позволило нам приступить к созданию сверхмощного параметрического усилителя света. Этот проект уже начал финансироваться. В нашем институте мы сделаем две ступени такого параметрического усиления до уровня порядка 100 тераватт. А после того, как мы проведем испытания системы, ее поставят в Институте лазерно-физических исследований ВНИИЭФ. И один из каналов "Луча" или в будущем "Искры-6" планируют использовать в качестве системы накачки для этого параметрического генератора. В результате, мы полагаем, будет построена петаваттная машина. Вот такие у нас планы.

  Руководство Минатома проект поддерживает. Мы не идем по следам Ливермора или кого-то еще, а разрабатываем совершенно новую систему. И тот факт, что этим направлением начали заниматься и в Америке, и в Англии, и в Японии, лишний раз подтверждает, что оно действительно весьма перспективно. И мы не в хвосте. Более того, у нас в стране есть все подходящие условия, чтобы такой проект выполнить. Тогда-то и следует ожидать очередного научного прорыва.

  Конечно, если просто сказать, что в России строится петаваттный лазер, то подумают: "Люди с ума сошли - это же десятки миллионов долларов!" Однако строительство такой системы мы оцениваем существенно дешевле. У нас уже есть база. И не надо никаких новых технологий даже по созданию того же кристалла. Кстати, наш институт - единственное место в стране, где эти уникальные кристаллы выращиваются. Ну, может быть, имеются еще два-три места в мире, с которыми институт конкурирует, но такие, до 40 сантиметров в диаметре, и такого качества кристаллы вряд ли есть где-то еще.

  Естественно, у "Луча", у "Искры-6" своя сфера приложения. А мы просто с помощью одного из каналов "Луча" наносекундной длительности будем усиливать импульс длительностью в десятки фемтосекунд. Мы как бы берем энергию, которая в этих лазерах запасена в длинных импульсах, и с помощью технологии параметрического усиления и последующего сжатия превращаем ее в очень короткие сгустки, в тысячи раз увеличивая мощность. При этом мы не только прорвемся в новую область фундаментальной физики, в сверхсильные поля. Есть еще несколько приложений, например, моделирование экстремальных состояний вещества в условиях моратория на ядерные испытания, использование фемтосекундного излучения для лазерного термоядерного синтеза по схеме быстрого поджига. Так что, если "Искру" построят, один из ее каналов так или иначе должен быть отведен для получения фемтосекундного импульса, создания петаваттного лазера. А уж в каком виде он окажется наиболее эффективным - покажет будущее. Но уже сегодня видны интереснейшие приложения фемтосекундной техники к лазерному термоядерному синтезу.

  В. Парафонова.