Автор: В. А. ПАРАФОНОВА, журналист

Физике сверхсильных полей сегодня посвящают самые представительные научные конференции. Одна из них - "Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом" - прошла в городе Сарове (Нижегородская область) в Российском федеральном ядерном центре "Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ)".

С аров, ранее Арзамас-16, выбран для международного форума не случайно. Здесь создавали не только атомное и термоядерное оружие, но и самые крупные в Европе лазерные установки. Совершенствование этой техники идет полным ходом. Так, доктор физико-математических наук, директор отделения нелинейной динамики и оптики Института прикладной физики (ИПФ) РАН A.M. Сергеев особое внимание в докладе уделил совместному проекту ИПФ РАН и ВНИИЭФ по строительству в Сарове одной из самых мощных в мире установок для генерации мультипетаваттного ^* излучения.

Изобретение лазеров основоположниками квантовой электроники,

будущими академиками Н. Г Басовым и AM. Прохоровым, а также американцем Ч. Х. Таунсоном (Нобелевская премия 1964 г.) привело к существенному прорыву в области уменьшения длительности импульсов излучения. Оказалось возможным получать субнаносекундные импульсы - это меньше наносекунды (10 ^-9 с) вплоть до пикосекунды (10" ¹ с), а затем перейти к фемтосекундам (10 ^-15 с). Сейчас речь идет уже об атгосекундах (10 ^{- 18} с). Первые фемтосекундные лазеры, генерировавшие излучение с длительностью менее 100 фс, были сконструированы в конце 80-х годов. Сейчас экспериментаторы освоили диапазон до 5 фс. Достижение таких значений стало реальным благодаря созданию новых лазерных кристаллов. Кроме того, открыт механизм самосинхронизации мод (собственных электромагнитных колебаний) в лазерах, в результате чего широкополосное излучение с разными длинами волн, генерируемое кристаллом, удается преобразовать в излучение, высвечивающееся в виде сверхкоротких импульсов. Наконец, в середине 90-х годов были разработаны оптические зеркала, позволяющие управлять задержкой световых волн при отражении в зависимости от их частоты. Развитие этих трех направлений позволило приблизиться к пределу длительностей импульсов, который могут обеспечить лазерные генераторы.

Что же дают сверхкороткие импульсы на практике? Скажем, размеры транзисторов - базы современной вычислительной техники - сегодня порядка десятков нанометров. Исследовать процессы, происходящие в этих полупроводниковых уст-

^* Петаваттный (пета - 10 ¹⁵ ) - следующий за тераваттным (тера - 10 ¹² ) уровень мощности (прим. ред.).

стр. 58

ройствах все меньшего и меньшего размера, можно только с помощью импульсов фемтосекундной длительности. Ведь характерные времена "событий", важных для современной электроники, меньше пикосекунды: именно такая мизерная доля времени требуется электрону на преодоление расстояния в несколько десятков нанометров.

Другой пример - телекоммуникации. Чтобы передавать максимальный объем информации в единицу времени, излучение должно быть как можно более широкополосным. Диапазон передачи до 10 Пбит/с практически освоен, причем не только в оптических системах. Если же говорить о достижении скорости больше терабита в секунду, то от фемтосекундного диапазона никуда не уйти.

Еще одна сфера, где основную роль играет длительность импульсов, - создание сверхсильных электромагнитных полей. Чтобы их получать, надо либо увеличивать энергию, либо уменьшать время, либо сужать пятно, в которое фокусируется излучение. Наращивание энергии потребует все большего числа конденсаторов. Кстати, уникальнейшее сооружение в Евразии - лазерный комплекс ВНИИЭФ "Искра-5" - занимает целый дом.

Более эффективное решение данной проблемы - уменьшение длительности импульса, что означает увеличение интенсивности излучения. Уже сейчас в некоторых лазерных системах она доходит до 10 ²⁰ - 10 ²¹ Вт/см ² . Если такое излучение посылать в вещество, то получится новое его состояние - плазма с удивительными свойствами, о которых пока известно очень мало. Она становится источником рентгеновского излучения с огромной энергией квантов вплоть до гамма-диапазона и испускает высокоэнергетичные ионы (до десятков мегаэлектронвольт). Подобные эффекты можно использовать в разнообразных областях - от физики элементарных частиц до медицины.

И это далеко не все приложения фемтосекундной оптики. Ее возможности, и реализуемые на практике, и потенциальные, позволяют поставить данный раздел физики в число наиболее быстро развивающихся.

Есть еще одна область применения лазерных импульсов, непосредственно не связанная ни с быстрыми процессами, ни с сильными полями. Еще в 60-х годах ученые научились лоцировать подводные объекты на глубине нескольких десятков метров с помощью наносекундного лазерного излучения. Что же касается фемтосекундного, то оно позволяет изучать неоднородности биоткани масштабом порядка 10 мкм. Именно на такой глубине развивается немало патологий, в том числе онкозаболеваний.

В ИПФ РАН созданы фемтосекундные оптические томографы для неинвазивной (неповреждающей) оптической биопсии. В отличие от принятых в практике методов данный позволяет не прибегать к иссечению фрагментов ткани - ее структура в области между эпителием и подлежащими слоями и так прекрасно видна. Пять лет назад нижегородские физики и медики с помощью упомянутых приборов первыми в мире составили альбомы томограмм практически всех внутренних органов, чем внесли существенный вклад в новую область науки - оптическую томографию.

Овладеть управляемым термоядерным синтезом - значит научиться использовать для нужд энергетики реакцию синтеза дейтерия с тритием. Если очень быстро нагреть их смесь, например, лазерным импульсом, то благодаря своей инерции последняя "разлетится" не сразу. В этом состоит суть метода инерционного удержания плазмы.

Установки, созданные для лазерного термоядерного синтеза (как и "Искра-5"), имеют плазменную ка-

стр. 59

меру, в центр которой помещают дейтерий-тритиевую мишень. На ней фокусируют излучение нескольких мощных лазерных пучков с длительностью импульса до 10 ^-10 с и суммарной мощностью порядка 10 ¹⁴ Вт. Тогда расширяющиеся газы и световое давление должны сжать дейтерий- тритиевую смесь примерно в 50 тыс. раз и нагреть до 10 кэВ (около 120 млн. С). Оболочка, в которой находится смесь, испарится, давление в последней возрастет до 1 млн. атм, а плотность - до 50 - 100 г/см (такие условия сохраняются лишь на время действия лазерного импульса). Тут-то и может начаться термоядерная реакция с выделением нейтронов и большого количества энергии в каждом акте синтеза - 17,6 МэВ.

Стало быть, в термоядерном направлении главная задача сейчас - "зажечь" мишень. Для этого предложена "быстрая" схема: один мощный лазерный импульс обжимает мишень, а с помощью другого, очень короткого, фемтосекундного, вводимого со стороны, возможен поджиг термоядерного горючего. Так что здесь без фемтосекундных лазеров не обойтись.

Исследования, проведенные в США, Японии, России, привели к созданию расчетно-теоретических моделей, позволяющих разрабатывать конструкцию термоядерной мишени и определять характеристики лазерного излучения (энергию, длину волны, форму импульса и др.), необходимые для зажигания в лабораторных условиях. Последнее требует больших энергий, чем на ныне существующих в мире установках. Следовательно, нужны лазеры нового поколения. В США и Франции уже приступили к их строительству и планируют получать выходную энергию около 2 МДж. В Японии разрабатывают установку KONGOH.

Во ВНИИЭФ тоже есть планы по развитию существующих и созданию новых мощных лазерных систем. Его сотрудники спроектировали установку следующего поколения на основе неодима - "Искру-6". Она будет состоять из 16 модулей по 8 лазерных каналов в каждом. Кстати, кпд неодимовых лазеров выше йодных, используемых на "Искре-5", а стоимость ниже.

Сейчас сооружается первый модуль установки "Искра-6" - "Луч". Уже готов один его лазерный канал, а всего будет четыре с полной энергией излучения 12 - 16 кДж. Основная цель "Луча" - проверка правильности выбора конструкции "Искры-6", отработка ее ключевых элементов, а главное - создание на его базе уникального фемтосекундного источника петаваттного уровня мощности,

стр. 60

который позволит экспериментально изучить особенности схемы "быстрого" поджига. Вот что говорит об этом А. М. Сергеев:

- Для нас важны два момента: наличие мощного кДж-лазера в системе "Луч" во ВНИИЭФ и то, что мы у себя, в ИПФ РАН, выращиваем широкоапертурные нелинейные кристаллы. А они - основа проекта мулътипетаваттного параметрического усилителя. Принцип его действия базируется на процессе распада одного кванта света на два при распространении в нелинейном оптическом кристалле. Для оптимального проявления такого эффекта мы синтезировали уникальные водорастворимые кристаллы, получившие название KDP и DKDP.

Надо сказать, что в мире, пожалуй, есть лишь два-три места, где делают нечто подобное. Но столь широко-апертурные кристаллы, до 40 см в диаметре, и такого высокого качества вряд ли сегодня где-либо можно найти. Кроме того, наша технология позволяет выращивать кристалл со скоростью 10 мм в сутки - это очень хороший показатель.

Так вот, в ИПФ РАН мы планируем сделать две ступени параметрического усиления - до уровня приблизительно 100 ТВт - и проверить

все принципы работы. Затем предполагается установить систему во ВНИИЭФ и использовать для ее накачки один из каналов "Луча". В итоге будет построена петаваттная машина.

В заключение хочется подчеркнуть, что в своей исследовательской деятельности мы идем не по чьим-то следам, а разрабатываем свое, новое направление. И то, что в эту же сторону обратили взор специалисты США, Англии и Японии, лишь подтверждает его перспективность.

Постоянный адрес данной публикации: