Опубликовано ssu-filippov в 27 мая, 2011 - 09:50

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.