Взорвать море Дирака: как в России создают царь-лазер

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. — ​«СР»).

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 (см. справку. — «СР»). 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.

Справка

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.

СКОРОСТЬ И МОЩНОСТЬ

1 фемтосекунда — 10⁻¹⁵ с

1 петаватт — 10¹⁵ Вт

1 экзаватт — 10¹⁸ Вт