Ещё в начале XX столетия установки в физических лабораториях были относительно недорогими. Если верить академику Исааку Халатникову, первым физиком, изменившим масштаб эксперимента, был Пётр Капица, убедивший своего шефа Эрнеста Резерфорда построить гигантские для того времени электромагниты для исследований по изучению свойств вещества в сверхсильных магнитных полях.

Лазеры, в отличие от сверхмощных магнитов или ускорителей, которые в наше время символизирует Большой адронный коллайдер, стали частью нашего быта, и в качестве примера масштабных и дорогостоящих физических установок о них вспоминают весьма редко. А между тем лазерная физика, судя по всему, подошла к новому этапу своей полувековой истории.

В первую очередь, это связано с её переходом на качественно новый уровень мощности в лазерном пучке – уровень терра и петаватт. От нового этапа физики ожидают существенного прорыва в самых разных областях – от управляемого термоядерного синтеза до астрофизики. При всём том лазерная тематика остаётся одним из немногих научных направлений, в которых отечественная наука сохраняет мировой уровень. Надо полагать, это было одним из тех факторов, которые обеспечили физикам из Нижегородского университета победу в конкурсе мегагрантов с представленным проектом создания сверхмощного лазера. Его научным руководителем стал известный французский физик Жерар Муру.

Для справки: Муру Жерар Альбер (Gerart Albert Mourou), французский и американский физик, специалист в области лазерной физики и нелинейной оптики, иностранный член РАН. Директор лаборатории прикладной оптики в Национальной высшей школе передовых технологий. Координатор панъевропейского проекта Eхtreme Light Infrastructure (ELI).

Исторически продвижение к сверхвысоким интенсивностям лазерного излучения требовало решить две задачи. Одна была связана с пробоем среды, неизбежно сопровождавшим процесс увеличения энергии пучка. Другая – с необходимостью максимально уменьшать длительность импульсов, что при прочих равных означает рост мощности излучения.

Способ усиливать излучение без пробоя среды был найден в 1985 году. Он основывался на явлении дисперсии – зависимости скорости распространения волны от частоты колебаний электромагнитного поля. В специально сконструированной дисперсионной системе отдельные составляющие импульса – им соответствовали разные частоты – распространялись с разными скоростями. В итоге первоначальный импульс «растягивался» в пространстве, а его интенсивность существенно (на несколько порядков) уменьшалась. Растянутый же импульс можно было усиливать, не опасаясь оптического пробоя. Затем его сжимали до прежнего размера.

Что же касается длительности импульса, то здесь фактором успеха в строительстве сверхмощных лазеров стали новые материалы. Так, в 1986 году были открыты кристаллы титан-сапфира. Их отличительной особенностью стала широкая полоса частот, в которой можно было усиливать сигнал, что открывало возможность формирования импульсов крайне малой продолжительности. Прошло 11 лет, и в 1997 году сотрудники Института прикладной физики (ИПФ) РАН построили первый российский лазер с титан-сапфиром в качестве рабочего вещества. Длительность импульсов в этом лазере удалось довести до 70 фемтосекунд (при энергии в пучке, достигавшей 70 мДж), выходная мощность лазера составила, таким образом, 10¹² Вт, то есть 1 ТВт.

А в 2006 году в том же институте разработали и запустили существенно более мощный лазерный комплекс c выходной мощностью чуть больше 500 ТВт. Немаловажно, что оба лазера финансировались из разных источников. Титан-сапфировый 1997 года создавали на деньги Российской академии наук, а субпетаваттный лазерный комплекс 2006 года строили уже при активном участии Российского федерального ядерного центра в Сарове и «Росатома». Заинтересованность атомщиков в сверхмощных лазерах объясняется заманчивыми перспективами лазерного термоядерного синтеза – основной альтернативы термоядерному реактору типа токамак. Напомним, что в токамаке дейтерий-тритиевую плазму предполагается удерживать в течение относительно большого промежутка времени (порядка одной секунды). В то же время лазерный термоядерный синтез предполагает существенно меньшие промежутки времени (порядка 10^-10 секунды) при существенно больших концентрациях дейтерия и трития. Такие параметры можно обеспечить кратковременным нагревом мишеней с дейтерием и тритием – при помощи лазерного излучения сверхвысокой интенсивности.

Рис. 1. Пол-петаваттный лазер со стороны задающего фемтосекундного генератора (синий ящик). Установка 2006 года.

Кстати, три года назад комплекс, аналогичный нижегородскому, был построен в Сарове. Его при этом дополнили усилительным блоком и довели в итоге выходную мощность до одного петаватта.

В планах ИПФ РАН – существенная модернизация установки 2006 года с увеличением выходной мощности на целый порядок – до пяти петаватт.

Стоит заметить, что нижегородские физики нашли для своей установки весьма удачную аббревиатуру PEARL, что в переводе с английского, как известно, означает «жемчужина» (за этой аббревиатурой скрывается полное название установки – PEtawatt pARametric Laser – петаваттный параметрический лазер). На данный момент PEARL входит в число пяти самых мощных лазеров мира, и поддерживать столь высокий статус будет непросто из-за крайне высокой активности ведущих мировых держав в создании сверхмощных лазеров. Так, конечная цель панъевропейского проекта ELI (Extreme Light Infrastructure) – строительство лазера с выходной мощностью 200 ПВт, что существенно превысит характеристики нижегородской «жемчужины» после её модернизации.

«Панъевропейский» характер проекта ELI – это не только участие нескольких европейских стран в его финансировании. Проект предполагает, что в нескольких государствах будут построены лазерные системы, ориентированные на решение самостоятельных задач. Три страны из четырёх уже определены: Венгрия, Чехия и Румыния. Четвёртую установку предполагается использовать для фундаментальных исследований по физике вакуума и вещества. Но какое отношение лазерная физика имеет к изучению вакуума? Дело в том, что в 1981 году был экспериментально обнаружен эффект генерации излучения высокой частоты при падении лазерного луча на твёрдотельную мишень. Эффект наблюдался при весьма высокой интенсивности в луче в интервале от 10¹⁴ Вт/см² до 1016 Вт/см².

Рис. 2. Новая строящаяся установка. Лазер накачки параметрических усилителей.

После трёх десятилетий изучения этого эффекта именно его предполагают использовать для решения весьма амбициозной задачи генерации импульсов с длительностью в несколько аттосекунд. Предварительные расчёты показывают, что амплитуда импульсов такой длительности может оказаться на порядок выше амплитуды импульсов «первичного» лазерного излучения. В этом случае мы и попадаем в тот самый диапазон интенсивностей, в котором могут наблюдаться эффекты нелинейности вакуума. В частности, достижение уровня интенсивности излучения в 10²⁶ Вт/см² должно привести к рождению из вакуума пар электрон+позитрон. Компьютерное моделирование соответствующих процессов показало, что при мощности лазерного импульса порядка 10 ПВт и интенсивности пучка порядка 10²³ Вт/см² можно рассчитывать на достижение необходимой интенсивности в области пространства в несколько нанометров.

Место дислокации четвёртой установки проекта ELI ещё не выбрано, и, учитывая достижения отечественной физики, лазерный комплекс для исследования свойств вакуума вполне может быть построен в России.

«Имеющийся опыт в создании сверхмощных лазеров <…> и, наконец, строительство мультипетаваттного лазера PEARL-10 являются весомыми аргументами в пользу участия России в уникальном международном мегапроекте», – так заканчивают статью «Экстремальные световые поля и их фундаментальные приложения», подготовленную для публикации в «Вестнике РАН», французский физик Жерар Муру и его нижегородские коллеги, сотрудники ИПФ РАН, члены-корреспонденты РАН А. М. Сергеев и Е. А. Хазанов и кандидат физико-математических наук А. В. Коржеманов.

Рис. 3. На переднем плане – стретчер (яркая дифракционная решётка), далее – стартовая часть, на заднем плане – лазер накачки параметрических усилителей.

Ситуацию с разработкой сверхмощных лазеров комментирует замруководителя отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН Ефим Хазанов:

• Благодаря мегагранту, мы сейчас дооснащаем имеющийся у нас лазер мощностью 0,5 ПВт для её повышения. Пока мы заменяем некоторые детали установки. В итоге доведём, видимо, выходную мощность до одного петаватта. Большие мощности потребуют уже принципиально нового оборудования. Сколько это займёт времени и сколько на это потребуется денег, сказать сейчас трудно. До сих пор наша работа финансировалась из программ РАН и гранта РФФИ. В настоящее время заметный вклад связан с финансированием по мегагранту. С точки зрения физики и, что немаловажно, возможностей помещения, которым сейчас располагаем, мы рассчитываем достичь мощности в 5–10 ПВт.

В перспективе мы планируем научиться ускорять электроны таким образом, чтобы обеспечить с помощью лазера ускорение электронного пучка, сформированного на выходе обычного ускорителя. Только тогда у пучка электронов, ускоренного лазером, будут стабильные параметры. В этом вопросе мы активно сотрудничаем с исследовательской группой гамбургского лазера XFEL. В настоящее время мы делаем для коллег из Гамбурга лазер с нужными им параметрами пучка для фотоинжектора электронов. Этот шаг необходим для синхронизации обычного и лазерного ускорителей. В будущем же мы планируем привезти в ИПФ РАН имеющийся у них ускоритель, «состыковать» его с нашим лазером (мощность которого к тому времени будет существенно увеличена) и реализовать в итоге те планы, о которых я говорю.