Петаваттный лазер вместо синхротрона

Российские физики создали компактный петаваттный (10 ¹⁵ Вт) лазерный комплекс. Подобные мощные лазерные установки открывают широкие возможности для исследования экстремальных состояний вещества, создания «настольных» лазерных ускорителей заряженных частиц, способных заменить огромные дорогостоящие ускорители, и разработок новых эффективных методов диагностики лечения.

Лазерный комплекс, разработанный в Институте прикладной физики РАН (ИПФ РАН, Н. Новгород) в содружестве с Российским федеральным ядерным центром (РФЯЦ, г. Саров), входит в число пяти наиболее мощных лазерных систем в мире. Его пиковая мощность 0.56ПВт, длительность импульса 43 фс (1 фс = 10 ^-15 с).

Как пояснил во время своего доклада на одном из последних заседаний Президиума РАН член-корреспондент РАН Александр Сергеев (ИПФ РАН), физика сверхкоротких лазерных импульсов – очень быстро развивающееся направление современной науки, что обусловлено беспрецедентными возможностями ее приложений, таких как управление процессами в физических, химических и биологических системах на молекулярном уровне, коммуникационные технологии с рекордной плотностью передачи информации, прецизионная микрообработка материалов и др. Профессор Сергеев особо отметил, что оптика сверхкоротких оптических импульсов является основой для развития стратегически важной области – физики сверхсильных полей и порождаемых ими экстремальных состояний вещества. Мощные – терраваттные (10¹² Вт) и петаваттные (10¹⁵ Вт) фемтосекундные лазерные комплексы способны генерировать оптические поля с интенсивностями более 10¹⁹ Вт/см², образующиеся при фокусировке таких лазерных импульсов. Эти поля существенно превосходят уровень внутриатомных полей, что позволяет создавать состояния вещества с экстремальными свойствами. Подобные лазерные установки рассматриваются как инструмент для моделирования процессов, протекающих в ядерных и термоядерных реакциях.

Особенность лазерной установки, созданной физиками из Нижнего Новгорода и Сарова – использование так называемых параметрических усилителей света вместо обычных лазерных. Дело в том, что традиционно применяемый принцип усиления фемтосекундных лазерных импульсов на неодимовом стекле имеет ограничения на пути увеличения мощности лазерных комплексов. Поэтому физики ищут альтернативные способы преодоления петаваттного барьера. Исследователи ИПФ РАН и РФЯЦ впервые предложили использовать для параметрического усиления света нелинейный кристалл DKDP (KD₂PO₄ – дидейтерофосфат калия). Достигнутая мощность 0.56 ПВт уже открывает возможности для проведения исследования экстремальных состояний вещества и для медицинских и других специальных приложений. Разработчики подчеркивают, что оригинальная архитектура лазера позволяет масштабировать комплекс до мощности 10 ПВт.

Александр Сергеев отметил, что уже имеющиеся в лабораториях мира «источники мощных фемтосекундных импульсов способны генерировать в процессах нелинейного взаимодействия с веществом потоки ускоренных частиц с энергиями, сравнимыми с получаемыми на ускорительной технике – синхротронах и линейных ускорителях. При этом компактность и дешевизна лазерных установок в сравнении с традиционными ускорителями и перспективы дальнейшего масштабирования мощности фемтосекундного оптического излучения позволяют сегодня начать серьезное обсуждение проектов, казавшихся еще вчера фантастическими, таких как пробой вакуума в сфокусированном световом пучке или получение мини черных дыр в лазерной лаборатории». Он также отметил использование экстремальных оптических полей в медицине: протонографии, позитронно-эмиссионной томографии и адронной терапии.

Директор Института физических проблем им. П. Л. Капицы РАН академик Александр Андреев в ходе обсуждения доклада сказал: «Огромное впечатление на меня произвела протонная терапия (разработанная в ИПФ РАН- ред.). Я считаю, что именно так сейчас надо заниматься фундаментальной наукой».

Заместитель директора Института химической физики РАН доктор физико-математических наук Олег Саркисов отметил, что «фемтосекундные импульсы позволяют изучать изменения внутримолекулярных процессов – это произвело настоящую революцию». Он добавил, что «развит качественно другой вид химических превращений, основанный на регулярном, синхронизированном движении ядер. На основе многофотонных процессов поглощения света разработаны фемтосекундные методы, позволяющие производить операции внутри клеток».