Сверхмощные лазеры — 2070

Артём Коржиманов
Артём Коржиманов

Уверен, что ближайшие десятилетия станут периодом максимального расцвета для лазеров сверхвысоких пиковых мощностей. Лазеры были изобретены в 1960 году и быстро стали источниками самого мощного электромагнитного излучения, доступного человечеству. Уже к концу 1960-х годов были получены лазерные импульсы мощностью в гигаватты. Излучение такой мощности разрушает любой активный элемент разумных размеров, но в середине 1980-х годов будущие нобелиаты Жерар Муру и Донна Стрикленд предложили и реализовали новый метод усиления лазерных импульсов, растянув их в дисперсионных элементах перед усилением, а после сжав назад.

Этот метод позволил в 1990-е годы достичь уровня в один петаватт (пета- означает 1015). Последние 20 лет ушли на оттачивание технологии, и сейчас петаваттные лазеры — это компактные установки, доступные даже университетским лабораториям. В последние годы лазерные системы сделали следующий шаг и уверенно достигли уровня нескольких петаватт: рекорд в 10 петаватт на данный момент удерживает лазерная система HPLS в румынском центре ELI-NP.

В ближайшие десятилетия стоит ждать развития этой области науки по трем основным направлениям.

Во-первых, рекордно достигнутая мощность продолжит расти. Это, в частности, может быть реализовано за счет свежей идеи, предложенной в Институте прикладной физики РАН и буквально в последние пару лет подтвержденной экспериментально: мощные импульсы можно пропускать через тонкие пленки, которые за счет нелинейных эффектов уширяют спектр импульсов, что позволяет затем уменьшить их длительность с сохранением энергии. Так можно увеличить мощность импульса как минимум в три-четыре раза. Но еще большего прогресса ждут от систем когерентного сложения излучения нескольких петаваттных лазеров. Здесь технологии пока развиты недостаточно, но за 50 лет их должны довести до ума: уже предложено несколько подобных проектов разной степени проработанности.

Установка PEARL (PEtawatt pARametric Laser) в ИПФ РАН. Фото А. Шайкина
Установка PEARL (PEtawatt pARametric Laser) в ИПФ РАН. Фото А. Шайкина

Так, в Нижнем Новгороде предложили построить комплекс из 12 синхронизированных 15-петаваттных лазеров, излучение которых сводилось бы в одной точке. Проект был формально поддержан Правительством РФ по программе «Мегасайнс», но из-за кризиса финансирование так и не начиналось. В фокусе подобной машины можно будет наблюдать развитие электрон-позитронных лавин: электроны, ускоряемые сильным полем, излучают гамма-фотоны с энергией до нескольких ГэВ, которые тут же распадаются на пару из электрона и позитрона, которые вновь излучают гамма-фотоны, и процесс повторяется многократно.

В результате за считаные фемтосекунды (фемто- означает ­10–15, а две-три фемтосекунды — это период электромагнитной волны с характерной для петаваттных лазеров длиной волны) образуется электрон-позитронная плазма с концентрацией частиц выше, чем в металлах. Это уникальный объект исследования, пока недоступный для изучения в лаборатории. Особенно интересно было бы достигнуть режимов непертурбативной квантовой электродинамики: до сих пор все экспериментально наблюдаемые эффекты квантовой электродинамики были относительно слабыми и хорошо описываются методом последовательных приближений.

В достаточно сильном внешнем поле этот метод перестает работать, и у теоретиков возникают серьезные проблемы при решении соответствующих задач. Изначально ученые столкнулись с подобными сложностями при изучении сильного ядерного взаимодействия, чрезвычайно трудного для экспериментального исследования. Получение чего-то аналогичного в более простом случае электромагнитных сил может сильно им помочь.

Во-вторых, стоит ожидать повсеместного распространения лазерных систем подобного типа во всевозможных приложениях от медицины до ядерных технологий. Эти системы являются источниками мощного излучения различных диапазонов и высокоэнергичных частиц с уникальными характеристиками. Например, есть проект по созданию сверхъяркого точечного источника рентгена для фазово-контрастной рентгенографии, имеющей большие перспективы в медицине. Почти наверняка найдут свою нишу мощные источники терагерцового излучения. Большие надежды возлагаются на лазерно-плазменные ускорители протонов: в Японии недавно стартовал проект по их использованию в компактных установках для протонной лучевой терапии.

Наконец, в-третьих, я ожидаю, что развитие лазерно-плазменных технологий ускорения частиц совершит сдвиг парадигмы в экспериментальной физике элементарных частиц. Сейчас для строительства коллайдеров используют ускорители на основе радиочастотных технологий. Но в плазме можно создать значительно более сильные ускорительные поля. Для сравнения: Стэнфордский линейный ускоритель имеет длину около 3 км и позволяет разогнать электроны до 50 ГэВ. Лазерная установка BELLA в Берклилаб достигла энергии электронов чуть меньше 8 ГэВ в плазменном канале длиной всего 20 см. Да, на данный момент качество получаемых пучков сильно уступает традиционным ускорителям, но за 50 лет эту разницу сократят, и почти наверняка электрон-позитронный коллайдер XXII века будет спроектирован с использованием петаваттных лазерных систем.

Артём Коржиманов, канд. физ.-мат. наук,
ст. науч. сотр. Института прикладной физики РАН,
автор телеграм-канала @physh

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 См. также:

  • Самоил Биленький. Фото И. Лапенко28.07.2020 Загадка малых масс нейтрино Как изучение нейтрино поможет физикам выйти за пределы Стандартной модели? Почему вначале ученые не верили, что нейтрино обладает массой? Как Бруно Понтекорво пришел к идее нейтринных осцилляций? Как возник и развивался Объединенный институт ядерных исследований? Об этом в интервью Яну Махонину рассказывает профессор Самоил Михелевич Биленький, советник при дирекции Лаборатории теоретической физики ОИЯИ. В этом году ему исполнилось 92 года, но он сохраняет бодрость духа и ясность ума.
  • Ольга Соломина05.05.2020 Географы будущего станут лучше понимать прошлое Продолжаем публиковать прогнозы ученых о том, что будет с их областью науки в далеком будущем. Сотрудники Института географии РАН — гляциологи, палеоклиматологи, экономгеографы и почвоведы — заглянули на несколько десятилетий вперед.
  • Бельгийская станция Princess Elisabeth Antarctica — первая в мире антарктическая станция с нулевым загрязнением окружающей среды. International Polar Foundation — René Robert05.05.2020 Антарктида через 50 лет Алексей Екайкин, гляциолог, полярник, вед. науч. сотр. лаборатории изменений климата и окружающей среды Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ), продолжает серию научных прогнозов, начатых в ТрВ № 300 и 301. Его «машина времени» переместилась на полвека вперед и увидела будущее шестого континента и всей антарктической науки.
  • «Бозон Хиггса открыт. Что дальше?»19.06.2018 «Бозон Хиггса открыт. Что дальше?» 7 июня 2018 года в культурно-просветительском центре «Архэ» состоялась лекция академика РАН Валерия Рубакова о хиггсовском бозоне и проходящих сейчас на БАКе исследованиях. С любезного согласия «Архэ» публикуем авторизованное В. А. Рубаковым изложение этой лекции, подготовленное Борисом Штерном.
Подписаться
Уведомление о
guest
3 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Александр Михайлович
Александр Михайлович
8 месяцев(-а) назад

Спасибо за сжатый, информативный обзор. Еще-бы добавить ссылки на относительно научно-популярные статьи уровня СОЖ, «Элементы»(https://elementy.ru) или обзорных статей УФН для «неспециалистов»,
по каждой упомянутой теме («сжатый свет», лазерно-плазменное ускорение и пр.) и будет вообще здорово.

Артём Коржиманов
Артём Коржиманов
8 месяцев(-а) назад

Популярные статьи можно почитать в моём блоге physh.ru/tags/петаватты

Что касается УФН, то ключевые фамилии для поиска: Хазанов, Быченков, Костюков, Буланов

Александр Михайлович
Александр Михайлович
8 месяцев(-а) назад
В ответ на:  Артём Коржиманов

Спасибо!
С Вашего позволения, если что-то накопаю на СОЖ, УФН добавлю в комменты сюда.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (2 оценок, среднее: 4,50 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: