Мощь коротких импульсов
НАУКА / #9_2025
Текст: Ольга ГАНЖУР / Фото: Википедия, «Страна Росатом», ИПФ РАН
На фото: Фемтосекундная лазерная искра и формируемый ею суперконтинуум
В Сарове, на площадке Национального центра физики и математики (НЦФМ), строят Центр исследования экстремальных световых полей XCELS, который будет оснащен первым в мире лазером экзаваттной мощности. Это фемтосекундная установка. Созданные в середине 1980-х, фемтосекундные лазеры совершили революцию в физике, и их потенциал не исчерпан до сих пор. О том, как они работают и какие перспективы открывают в науке и жизни, рассказывает один из ведущих мировых специалистов по фемтосекундной оптике, академик Российской академии наук, научный руководитель НЦФМ Александр Сергеев.
О коротких импульсах
Фемтосекундные лазеры — это лазеры очень коротких световых импульсов. В 1980‑х годах, когда появились первые такие лазеры, стало понятно, что они открывают массу возможностей и широчайший спектр применений.
Возьмем, например, информационные технологии. Для того чтобы в единицу времени передать большее количество информации с помощью лазерных импульсов, вы должны каждый импульс сделать как можно более коротким. У короткого импульса спектр в частотном пространстве очень широк, и это эффективно используется в современных информационных системах — можно посылать информацию на разных частотах.
Фемтосекундные лазеры нашли применение и в биофотонике, изучающей, среди прочего, применение света для диагностики и лечения. Все знают принцип ультразвуковой диагностики: внутрь тела посылается ультразвуковой импульс, который по-разному отражается от неоднородных поверхностей, и аппарат в соответствии с этими отражениями показывает картину внутренних органов. Можно использовать вместо ультразвуковых импульсов оптические. Они проникают внутрь биоткани не так глубоко, всего на 1−2 мм. Но многие онкологические заболевания начинают развиваться как раз в так называемой базальной мембране — тонком слое из белков и полисахаридов, расположенном между эпителием и соединительной тканью. Для маркировки границ опухоли оптический биоимиджинг, или, как его еще называют, оптическая когерентная томография (ОКТ), подходит очень хорошо. В офтальмологии ОКТ позволяет получать изображения ключевых компонентов глаза: сетчатки, зрительного нерва, роговицы.
Фемтосекундные лазеры — это лазеры очень коротких световых импульсов. В 1980‑х годах, когда появились первые такие лазеры, стало понятно, что они открывают массу возможностей и широчайший спектр применений.
Возьмем, например, информационные технологии. Для того чтобы в единицу времени передать большее количество информации с помощью лазерных импульсов, вы должны каждый импульс сделать как можно более коротким. У короткого импульса спектр в частотном пространстве очень широк, и это эффективно используется в современных информационных системах — можно посылать информацию на разных частотах.
Фемтосекундные лазеры нашли применение и в биофотонике, изучающей, среди прочего, применение света для диагностики и лечения. Все знают принцип ультразвуковой диагностики: внутрь тела посылается ультразвуковой импульс, который по-разному отражается от неоднородных поверхностей, и аппарат в соответствии с этими отражениями показывает картину внутренних органов. Можно использовать вместо ультразвуковых импульсов оптические. Они проникают внутрь биоткани не так глубоко, всего на 1−2 мм. Но многие онкологические заболевания начинают развиваться как раз в так называемой базальной мембране — тонком слое из белков и полисахаридов, расположенном между эпителием и соединительной тканью. Для маркировки границ опухоли оптический биоимиджинг, или, как его еще называют, оптическая когерентная томография (ОКТ), подходит очень хорошо. В офтальмологии ОКТ позволяет получать изображения ключевых компонентов глаза: сетчатки, зрительного нерва, роговицы.
О мощности
Говоря о мощности лазеров, важно дифференцировать пиковую и среднюю. Пиковая мощность импульсных лазеров может быть на много порядков выше средней, так как энергия выдается короткими всплесками, неравномерно.
Фемтосекундная оптика играет ключевую роль в повышении пиковой мощности излучения лазеров. Научившись компрессировать лазерное излучение в фемтосекунды, можно при относительно небольших энергиях получать очень высокие мощности. Первые лазеры обладали длительностью импульсов на уровне микросекунд. Перейдя к фемтосекундовому диапазону, мы, соответственно, на восемь порядков увеличили мощность при той же энергии лазерного импульса.
Лазерное излучение с помощью фемтосекундной оптики может не только компрессироваться во времени, но и фокусироваться в пространстве. За счет этого можно получать очень высокую интенсивность и яркость излучения. Если скомпрессировать импульс лазерной энергии — всего 10 джоулей — в 10 фемтосекунд и в квадратный микрон, то его интенсивность окажется на уровне 1023 ватт на 1 см2.
Говоря о высокой интенсивности излучения, я имею в виду сильные поля. Электрическое поле удерживает электроны в атомах и молекулах. Самый простой атом — атом водорода. Поле, удерживающее электрон на первой орбите в атоме водорода, называется атомным. Это фундаментальная константа, поле, создающее материю. С помощью лазера мы можем получить поле приблизительно на три порядка сильнее атомного. Это поле гигантской силы. Оно способно мгновенно превратить материю в плазму.
Сегодня лазерщики работают над тем, чтобы при достигнутой гигантской пиковой мощности научиться достаточно часто повторять такие импульсы. Самая сложная инженерная задача — обеспечить установкам теплоотвод.
Сегодня самая высокая пиковая мощность в мире — у лазеров NIF (National Ignition Facility, Национальная установка зажигания, США), LMJ (Laser Mégajoule, лазер «Мегаджоуль», Франция), УФЛ‑2М (Россия). Это лазеры не фемтосекундного диапазона — они работают с импульсами длительностью порядка 10 наносекунд.
Перечисленные установки появились после того, как развитые страны присоединились к мораторию на ядерные испытания. Тестировать оборонную продукцию стало нельзя, и физики предложили продолжить исследования взрывных процессов с помощью лазерного излучения.
На мощных лазерах такого класса ведутся и гражданские исследования в области термоядерной энергетики: лазерный термоядерный синтез — потенциальная альтернатива магнитному удержанию плазмы. На NIF впервые был продемонстрирован положительный термоядерный выход энергии. Сейчас отношение полученной термоядерной энергии к затраченной лазерной при термоядерном синтезе уже довели до 4.
Говоря о мощности лазеров, важно дифференцировать пиковую и среднюю. Пиковая мощность импульсных лазеров может быть на много порядков выше средней, так как энергия выдается короткими всплесками, неравномерно.
Фемтосекундная оптика играет ключевую роль в повышении пиковой мощности излучения лазеров. Научившись компрессировать лазерное излучение в фемтосекунды, можно при относительно небольших энергиях получать очень высокие мощности. Первые лазеры обладали длительностью импульсов на уровне микросекунд. Перейдя к фемтосекундовому диапазону, мы, соответственно, на восемь порядков увеличили мощность при той же энергии лазерного импульса.
Лазерное излучение с помощью фемтосекундной оптики может не только компрессироваться во времени, но и фокусироваться в пространстве. За счет этого можно получать очень высокую интенсивность и яркость излучения. Если скомпрессировать импульс лазерной энергии — всего 10 джоулей — в 10 фемтосекунд и в квадратный микрон, то его интенсивность окажется на уровне 1023 ватт на 1 см2.
Говоря о высокой интенсивности излучения, я имею в виду сильные поля. Электрическое поле удерживает электроны в атомах и молекулах. Самый простой атом — атом водорода. Поле, удерживающее электрон на первой орбите в атоме водорода, называется атомным. Это фундаментальная константа, поле, создающее материю. С помощью лазера мы можем получить поле приблизительно на три порядка сильнее атомного. Это поле гигантской силы. Оно способно мгновенно превратить материю в плазму.
Сегодня лазерщики работают над тем, чтобы при достигнутой гигантской пиковой мощности научиться достаточно часто повторять такие импульсы. Самая сложная инженерная задача — обеспечить установкам теплоотвод.
Сегодня самая высокая пиковая мощность в мире — у лазеров NIF (National Ignition Facility, Национальная установка зажигания, США), LMJ (Laser Mégajoule, лазер «Мегаджоуль», Франция), УФЛ‑2М (Россия). Это лазеры не фемтосекундного диапазона — они работают с импульсами длительностью порядка 10 наносекунд.
Перечисленные установки появились после того, как развитые страны присоединились к мораторию на ядерные испытания. Тестировать оборонную продукцию стало нельзя, и физики предложили продолжить исследования взрывных процессов с помощью лазерного излучения.
На мощных лазерах такого класса ведутся и гражданские исследования в области термоядерной энергетики: лазерный термоядерный синтез — потенциальная альтернатива магнитному удержанию плазмы. На NIF впервые был продемонстрирован положительный термоядерный выход энергии. Сейчас отношение полученной термоядерной энергии к затраченной лазерной при термоядерном синтезе уже довели до 4.
Фемтосекундный лазер поколения III
О лазере XCELS
Проект XCELS появился в 2011 году и вскоре был включен в число национальных проектов класса MegaScience (наряду со сверхпроводящим коллайдером протонов и тяжелых ионов NICA, который будет запущен в конце года в Дубне; исследовательским ядерным реактором ПИК, запущенным в 2021 году в Гатчине; источником синхротронного излучения СКИФ, сооружаемым под Новосибирском). Проект не дешевый, но необходимое финансирование заложено в бюджет страны.
Пиковая мощность XCELS составит почти 1018 Вт. Мы получим установку для генерации сверхсильных оптических полей. Таких параметров мы планируем достичь, применив инновационную технику параметрического усиления чирпированных (от англ. chirp — чириканье, птичий щебет) импульсов. В чирпированном импульсе частота излучения плавно изменяется по длине. При растягивании импульса перед усилением различные частотные компоненты его (длинные и короткие волны) разделяются и движутся с разной скоростью, что приводит к изменению частоты во времени. Эта техника позволяет усилить сверхкороткие лазерные импульсы до очень высоких уровней мощности, не повреждая при этом оптических элементов. (За изобретение техники усиления чирпированных лазерных импульсов в 2018 году группе ученых присудили Нобелевскую премию по физике. Примечательно, что один из лауреатов, французский ученый Жерар Муру, в 2010‑х годах часто бывал в России и вместе с нами начинал проектировать XCELS.)
Мы спроектировали лазер на базе стопроцентно российских технологий. Изготавливается оборудование установки, часть уже поставлена в НЦФМ и тестируется. К 2030 году мы должны построить два канала суммарной мощностью 100 петаватт. Такого нигде в мире нет. Затем будем постепенно вводить остальные 10 каналов и доводить пиковую мощность до экзаваттного уровня.
В ходе одного из первых экспериментов мы планируем на этой установке взорвать вакуум. Для того чтобы понять, как устроен объект, его надо сломать — это интуитивно понимают дети. Пока не "сломали" атом, мы не могли узнать, что он состоит из электрона и ядра. В соответствии с современными физическими теориями, вакуум — это не пустота, а так называемое море Дирака, заполненное виртуальными частицами и античастицами. В сильных полях мы сможем переводить частицы из виртуального состояния в реальное и получим новые, уникальные данные об устройстве материи, о том, как появилась Вселенная.
Проект XCELS появился в 2011 году и вскоре был включен в число национальных проектов класса MegaScience (наряду со сверхпроводящим коллайдером протонов и тяжелых ионов NICA, который будет запущен в конце года в Дубне; исследовательским ядерным реактором ПИК, запущенным в 2021 году в Гатчине; источником синхротронного излучения СКИФ, сооружаемым под Новосибирском). Проект не дешевый, но необходимое финансирование заложено в бюджет страны.
Пиковая мощность XCELS составит почти 1018 Вт. Мы получим установку для генерации сверхсильных оптических полей. Таких параметров мы планируем достичь, применив инновационную технику параметрического усиления чирпированных (от англ. chirp — чириканье, птичий щебет) импульсов. В чирпированном импульсе частота излучения плавно изменяется по длине. При растягивании импульса перед усилением различные частотные компоненты его (длинные и короткие волны) разделяются и движутся с разной скоростью, что приводит к изменению частоты во времени. Эта техника позволяет усилить сверхкороткие лазерные импульсы до очень высоких уровней мощности, не повреждая при этом оптических элементов. (За изобретение техники усиления чирпированных лазерных импульсов в 2018 году группе ученых присудили Нобелевскую премию по физике. Примечательно, что один из лауреатов, французский ученый Жерар Муру, в 2010‑х годах часто бывал в России и вместе с нами начинал проектировать XCELS.)
Мы спроектировали лазер на базе стопроцентно российских технологий. Изготавливается оборудование установки, часть уже поставлена в НЦФМ и тестируется. К 2030 году мы должны построить два канала суммарной мощностью 100 петаватт. Такого нигде в мире нет. Затем будем постепенно вводить остальные 10 каналов и доводить пиковую мощность до экзаваттного уровня.
В ходе одного из первых экспериментов мы планируем на этой установке взорвать вакуум. Для того чтобы понять, как устроен объект, его надо сломать — это интуитивно понимают дети. Пока не "сломали" атом, мы не могли узнать, что он состоит из электрона и ядра. В соответствии с современными физическими теориями, вакуум — это не пустота, а так называемое море Дирака, заполненное виртуальными частицами и античастицами. В сильных полях мы сможем переводить частицы из виртуального состояния в реальное и получим новые, уникальные данные об устройстве материи, о том, как появилась Вселенная.
PEARL (PEtawatt pARametric Laser) — первый в мире лазерный комплекс петаваттного уровня мощности, ИПФ РАН
Практическая польза
В процессе строительства лазера мы наверняка получим новые технологические результаты, которые будут востребованы в народном хозяйстве. Будет создано новое поколение лазерных источников.
У нас есть обоснованные предположения о том, как можно будет применять сверхплотную электрон-позитронную плазму, получаемую на фемтосекундных лазерах экзаваттной мощности. Она будет очень хорошим источником гамма-излучения, которое может быть использовано, например, для диагностики и лечения онкологических заболеваний.
С помощью мощных короткоимпульсных лазеров можно создавать вторичные источники излучения, которые позволят сделать ускорители компактнее и удобнее.
В современных установках ускорение осуществляется с помощью электромагнитных волн микроволнового диапазона (их длина не больше десятков сантиметров). Для того чтобы получить большие поля, создаются так называемые резонаторы. В резонатор накачивают микроволновое излучение и в нужный момент внутрь запускают частицы.
Линейные ускорители — самые высокоэнергетические в мире — используют тысячи последовательно расположенных резонаторов с сильным микроволновым полем. Частица, пролетев через тысячу резонаторов, получает тысячу толчков.
Однако СВЧ-поля, используемые в микроволновых резонаторах, ограничены стойкостью стенок этих резонаторов. А имея мощное лазерное поле, можно создать ускорение не в резонаторах, а непосредственно в плазме.
Причем поля могут быть на шесть порядков мощнее, чем в современных ускорителях. Значит, можно создать очень компактную систему — лазерно-плазменный ускоритель уместится на ладони.
Единственное, в чем лазерные ускорители пока отстают от больших, — это производительность: они генерируют электроны с частотой на уровне сотен герц. Нужно научиться создавать фемтосекундные лазеры с очень высокой частотой повторения импульсов.
В процессе строительства лазера мы наверняка получим новые технологические результаты, которые будут востребованы в народном хозяйстве. Будет создано новое поколение лазерных источников.
У нас есть обоснованные предположения о том, как можно будет применять сверхплотную электрон-позитронную плазму, получаемую на фемтосекундных лазерах экзаваттной мощности. Она будет очень хорошим источником гамма-излучения, которое может быть использовано, например, для диагностики и лечения онкологических заболеваний.
С помощью мощных короткоимпульсных лазеров можно создавать вторичные источники излучения, которые позволят сделать ускорители компактнее и удобнее.
В современных установках ускорение осуществляется с помощью электромагнитных волн микроволнового диапазона (их длина не больше десятков сантиметров). Для того чтобы получить большие поля, создаются так называемые резонаторы. В резонатор накачивают микроволновое излучение и в нужный момент внутрь запускают частицы.
Линейные ускорители — самые высокоэнергетические в мире — используют тысячи последовательно расположенных резонаторов с сильным микроволновым полем. Частица, пролетев через тысячу резонаторов, получает тысячу толчков.
Однако СВЧ-поля, используемые в микроволновых резонаторах, ограничены стойкостью стенок этих резонаторов. А имея мощное лазерное поле, можно создать ускорение не в резонаторах, а непосредственно в плазме.
Причем поля могут быть на шесть порядков мощнее, чем в современных ускорителях. Значит, можно создать очень компактную систему — лазерно-плазменный ускоритель уместится на ладони.
Единственное, в чем лазерные ускорители пока отстают от больших, — это производительность: они генерируют электроны с частотой на уровне сотен герц. Нужно научиться создавать фемтосекундные лазеры с очень высокой частотой повторения импульсов.
О кадрах
Лазерное направление в НЦФМ — это не только XCELS. Создается лаборатория «Мультитера». Примерно через год мы запустим в ней лазер мультитераваттной мощности. Этот фемтосекундный лазер, в частности, станет базой для подготовки кадров, которым предстоит работать на XCELS.
Каждый год НЦФМ проводит около 10 научных школ для молодых ученых, аспирантов и студентов, в том числе по лазерному направлению. Они очень популярны. Студенты, поступающиет в магистратуру МГУ-Саров — образовательное ядро НЦФМ, — распределяются по научным направлениям, и лазерное — одно из основных. Так что головы и рабочие руки для XCELS мы готовим уже несколько лет.
Лазерное направление в НЦФМ — это не только XCELS. Создается лаборатория «Мультитера». Примерно через год мы запустим в ней лазер мультитераваттной мощности. Этот фемтосекундный лазер, в частности, станет базой для подготовки кадров, которым предстоит работать на XCELS.
Каждый год НЦФМ проводит около 10 научных школ для молодых ученых, аспирантов и студентов, в том числе по лазерному направлению. Они очень популярны. Студенты, поступающиет в магистратуру МГУ-Саров — образовательное ядро НЦФМ, — распределяются по научным направлениям, и лазерное — одно из основных. Так что головы и рабочие руки для XCELS мы готовим уже несколько лет.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ