Один из флагманских проектов Национального центра физики и математики (НЦФМ) — Центр исследований экстремальных световых полей с первым в мире лазером экзаваттной мощности. Как будет устроен царь-лазер и какие возможности он откроет, объясняет научный руководитель НЦФМ академик Александр Сергеев.
— В «Википедии» о вас пишут так: специалист в области лазерной физики, фемтосекундной оптики, физики плазмы и биофотоники. Как вы все успели?
— Все эти направления объединяют фемтосекундные лазеры, то есть лазеры очень коротких световых импульсов. К таким установкам относится и строящийся XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies, Центр исследований экстремальных световых полей).
В 1980‑е годы, когда появились первые фемтосекундные лазеры, стало понятно, что они открывают массу возможностей. Возьмем информационные технологии. Чтобы в единицу времени передать большее количество информации с помощью лазерных импульсов, вы должны этот импульс сделать как можно более коротким. У короткого импульса спектр в частотном пространстве очень широкий, и это эффективно используется в современных информационных системах — можно посылать информацию на разных частотах.
Фемтосекундные лазеры оказались интересными и для биофотоники, которая изучает, в частности, применение света для диагностики и лечения. Все знают, как работает ультразвуковая диагностика: внутрь тела посылается ультразвуковой импульс, он отражается от разных неоднородностей, и аппарат по этому отражению строит картинку внутренних органов. Можно использовать не ультразвуковые импульсы, а оптические в ближнем инфракрасном диапазоне частот. 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. Если нужно маркировать границы опухоли, то оптический биоимиджинг, или, как его еще называют, оптическая когерентная томография, ОКТ, подходит очень хорошо. В офтальмологии ОКТ позволяет получить изображения внутренних структур глаза: сетчатки, зрительного нерва.
С помощью мощного фемтосекундного лазера мы можем получить электрическое поле гигантской напряженности, способное мгновенно превратить материю в плазму. Так, начиная с 1990‑х годов он стал важнейшим инструментом в физике горячей лазерной плазмы.
Фемтосекундная оптика играет ключевую роль в повышении пиковой мощности излучения лазеров. Если вы умеете компрессировать в фемтосекунды лазерное излучение, то при относительно небольших энергиях получаете очень высокие мощности. Первые лазеры обладали длительностью импульсов на уровне микросекунд. Когда мы перешли к фемтосекундному диапазону, то, соответственно, на восемь порядков увеличили мощность при той же самой энергии лазерного импульса.
— Какие лазеры сейчас самые мощные в мире?
— Мощности бывают разные. Есть пиковая, есть средняя. Пиковая мощность импульсных лазеров может быть на много порядков выше средней, так как энергия выдается короткими всплесками, а не равномерно. Средняя мощность набирается, когда таких всплесков много и они идут часто. Пока лазерщики работают над тем, чтобы при гигантской пиковой мощности научиться достаточно часто повторять такие импульсы. Самая сложная инженерная задача — обеспечить таким установкам теплоотвод.
Помимо импульсных, есть лазеры непрерывного действия, и они тоже важны — например, для развития космической связи. С помощью лазерного излучения можно передать гораздо больше информации, чем с помощью радиочастотного, на котором работает ГЛОНАСС и другие системы связи и навигации. Поскольку излучение распространяется через ионосферу, там не нужны очень сильные поля, при данной средней мощности система должна обладать как можно меньшим уровнем пиковой.
— Спрошу иначе: какие действующие импульсные лазеры самые крутые?
— В США работает NIF, во Франции — LMJ, в России — УФЛ‑2М. Эти установки получили развитие после введения моратория на ядерные испытания. Тестировать оборонную продукцию стало нельзя, и физики предложили продолжать исследования взрывных процессов с помощью лазерного излучения. На мощных установках такого класса ведутся и гражданские исследования в области термоядерной энергетики: лазерный термоядерный синтез — потенциальная альтернатива магнитному удержанию плазмы. На NIF впервые продемонстрировали положительный термоядерный выход энергии. Сейчас отношение полученной термоядерной энергии к затраченной лазерной при термоядерном синтезе уже довели до четырех.
— Почему XCELS круче?
— Лазеры, о которых я говорил ранее, не фемтосекундного диапазона — они работают с импульсами длительностью порядка 10 наносекунд. Это на шесть порядков больше, чем 10 фемтосекунд, с которыми мы работаем в новом проекте. 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 импульсов. Вообще, за изобретение техники усиления чирпированных лазерных импульсов в 2018 году присудили Нобелевскую премию по физике. Примечательно, что один из лауреатов, французский ученый Жерар Муру, в 2010‑е годы часто бывал в России и вместе с нами начинал проектировать XCELS.
— Какие возможности откроет XCELS перед учеными?
— В ходе одного из первых экспериментов мы планируем на этой установке взорвать вакуум. Чтобы понять, как устроен объект, можно его сломать — типичный прием, так дети учатся жизни. Пока мы не сломали атом, мы не знали, что он состоит из электрона и из 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 можем переводить частицы из виртуального состояния в реальное. И получим новые, уникальные данные об устройстве материи, о том, как появилась Вселенная.
— На какой стадии проект сейчас?
— Идет изготовление оборудования, часть уже поставлена на площадку НЦФМ и тестируется. К 2030 году мы должны построить два канала суммарной мощностью 100 петаватт и отработать критические компоненты. А дальше будем постепенно вводить остальные 10 каналов и доводить пиковую мощность до экзаваттного уровня. Дело это недешевое, но, по крайней мере, финансирование, которое нужно, чтобы завершить проект, планируется в бюджете страны. Поэтому настроение у нас хорошее.
В чирпированном импульсе (от англ. chirp — «чириканье, щебетание птиц») частота излучения плавно изменяется по его длине, то есть со временем. В ультракоротких лазерных импульсах при растягивании импульса перед усилением его различные частотные компоненты (длинные и короткие волны) разделяются и движутся с разной скоростью, что приводит к изменению частоты во времени. Эта техника называется усилением чирпированных импульсов и используется для усиления сверхкоротких лазерных импульсов до очень высоких уровней мощности, не повреждая при этом оптические элементы.
