Вести из Российской академии наук

Россия вновь стала лазерной державой

В конце апреля на очередном заседании Президиума Российской академии наук перед академиками с докладом «Петаваттные и аттосекундные источники света – новые рубежи лазерной физики» выступил член-корреспондент РАН Александр Михайлович Сергеев. Речь в докладе шла о создании в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) компактного лазерного комплекса, одного из самых мощных в мире для генерации мультипетаваттного излучения. Петаватт равняется одному квадрильону ватт.

Финансировали работу Российский федеральный ядерный центр (г. Саров) и Российская академия наук.

В мире до 70-х гг. нарастание интенсивности лазеров шло очень быстро, тогда удавалось получить примерно мегаваттные мощности. В последние 20 лет развитие лазерной техники замедлилось из-за увеличения размеров установок, их стоимость достигала нескольких миллиардов долларов. Наша страна в 90-х годах ХХ века из этого процесса выбыла.

Возобновленные в 2003 году разработки Института прикладной физики привели к получению лазеров, которые умещаются на лабораторном столе, причем их мощность составляет несколько петаватт. Компактность и дешевизна лазерных установок в сравнении с традиционными ускорителями и перспективы дальнейшего увеличения мощности аттосекундного (10^-18 ) 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.

Физика сверхкоротких лазерных импульсов является одним из наиболее быстро развивающихся направлений современной науки. С помощью лазеров можно получать субнаносекундные импульсы, в частности аттосекунды. Эти лазеры созданы благодаря получению новых лазерных кристаллов. К примеру, синтезирован кристалл - титансапфир (сапфир, в кристалл которого введены атомы титана), в основном лазеры работают на его основе.

Программы создания петаваттных лазеров осуществляются в настоящее время в США, Китае, Франции, Великобритании, Японии.

Достижение петаваттного уровня мощности основано на применении принципа усиления растянутых во времени частотно-модулированных лазерных импульсов в традиционных усилителях и их последующем сжатии до длительностей в несколько сот фемтосекунд на системе дифракционных решеток. В 2002 году китайские ученые установили мировой рекорд в параметрическом усилении, дальнейшее продвижение в направлении увеличения мощности лазеров на этом пути было приостановлено.

Именно российским ученым удалось разработать такую комбинацию параметров работы лазера, (за счет подбора нелинейного кристалла, направлений распространения и частот накачки и сигнальной волны…) которые позволили преодолеть петаваттный барьер мощности и обогнать на два порядка западные, а точнее китайские установки.

В Нижнем Новгороде удалось получить нелинейные кристаллы большого диаметра, - именно они стали основой проекта по созданию мультипетаваттного параметрического усилителя, в котором обычное лазерное усиление заменено усилением параметрическим.

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 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. Ученым удалось получить специальные нелинейно-оптические кристаллы для наиболее эффективного проявления этого нелинейного оптического эффекта. Созданная 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 создать сверхмощный параметрический усилитель света.

Разработанная российскими учеными комбинация параметров усиления теперь признана во всем мире.

Созданный в Институте прикладной физики РАН лазер не только дает огромную энергию, но, к примеру, за счет получения импульсов сверхкороткой длительности позволяет проводить диагностику сверхбыстрых процессов. Так, для исследования процессов, происходящих в транзисторах - основного элемента всей современной вычислительной техники, без фемтосекундных импульсов не обойтись. Дело в том, что времена "событий", которые важны для современной электроники, меньше пикосекунды: именно пикосекунды требуются электрону на преодоление расстояния, скажем, в 20-30 нанометров.

Следующее приложение - телекоммуникации. Чтобы передавать как можно больше информации в единицу времени, несущее излучение должно иметь более высокую частоту. В результате связь сначала перешла с длинных радиоволн на короткие и ультракороткие, а затем освоила и световой диапазон. Сегодня скорость передачи до 10 гигабит в секунду – реальность и не только в оптических системах. Даже в электронных устройствах, тактовая частота давно перевалила за гигагерц - 10⁹ бит информации в секунду. На очереди 10¹² бит в секунду - терабит.

Созданный в Институте прикладной физики РАН лазер позволяет получать протоны, которые можно использовать и в медицинских целях. Ученые надеются, что через 5-10 лет метод протонной терапии онкологических заболеваний войдет в медицинскую практику. В настоящее время протонами убиваются как больные клетки, так и здоровые. Необходимо чтобы протоны поглощались не кожей, а в зависимости от сообщенной им энергии проходили внутрь организма на 10, 20 см., при этом в минимальной степени повреждая здоровые клетки. В настоящее время ученые работают над техническим решением дозированной доставки протонов к больным клеткам.

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

Есть еще несколько приложений, над которыми сейчас работают ученые. Например, моделирование экстремальных состояний вещества в условиях моратория на ядерные испытания, использование фемтосекундного излучения для лазерного термоядерного синтеза.

В заключение обсуждения доклада президент РАН, академик Юрий Сергеевич Осипов сказал, что и форма, и содержание изложенного материала производят огромное впечатление. Это очень хороший пример использования Программы фундаментальных исследований Президиума РАН. «Еще 10 лет назад мы мало что могли сказать о развитии лазеров. Это тот редкий случай, когда фундаментальные исследования развиваются совместно с прикладными и дополняют друг друга», заявил Осипов.