В погоне за петаваттами

Жерар Муру (1987 год) и Донна Стрикленд (1985 год) в своей лаборатории в Рочестерском университете. Фото с сайта rochester.edu

Половина Нобелевской премии по физике этого года была присуждена Жерару Муру и Донне Стрикленд за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. Благодаря их результатам удалось серьезно увеличить пиковую мощность лазерных установок, что позволяет, например, вести разработку относительно компактных ускорителей заряженных частиц, не уступающих традиционным.

Как обычно случается в начале октября, на прошедшей неделе стали известны имена очередных Нобелевских лауреатов. Премия по физике была разделена между тремя учеными. Половина ушла Артуру Эшкину (Arthur Ashkin) за изобретение лазерного пинцета (подробнее читайте в новости Нобелевская премия по физике — 2018, «Элементы», 09.10.2018), а вторую половину поделили Жерар Муру (Gérard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland) — за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. Несмотря на то что обе премии объединены формулировкой «за исследования в области лазерной физики», ее две половины вручены за два практически никак не пересекающихся достижения, оказавших, однако, одинаково большое влияние на другие области науки. Мне хотелось бы подробнее рассказать про работу Жерара Муру и Донны Стрикленд, поскольку она лежит в непосредственной сфере моих научных интересов.

Все мощнее и мощнее

Генерация все более мощных импульсов — одно из главных направлений исследований в лазерной физике с момента изобретения лазера в 1960 году. Это было естественным, поскольку лазерное излучение как раз и отличается повышенной яркостью и мощностью. И уже к концу 1960-х годов были получены импульсы с практически недостижимой другими способами мощностью в несколько гигаватт. Обеспечить такую мощность при относительно небольших затратах энергии удалось в первую очередь за счет развития методов генерации коротких импульсов. Характерная длительность импульсов составляла несколько наносекунд (1 нс = 10⁻⁹ с), поэтому для достижения мощности в 1 гигаватт им было достаточно иметь энергию в несколько джоулей — меньше, чем у выпавшего из рук кирпича.

На гигаваттном уровне мощности, однако, возникла проблема. Лазерное излучение начинало разрушать те кристаллы, в которых происходило его усиление. Естественным путем борьбы с этим виделось увеличение поперечных размеров кристаллов, что позволяло размазывать мощность по большей площади, уменьшая тем самым интенсивность излучения. Очевидная проблема заключалась в том, что кристаллы все же не могли иметь произвольно большие размеры: относительно несложно вырастить и использовать кристалл диаметром в несколько сантиметров, значительно сложнее получать кристаллы размером в несколько десятков сантиметров, и практически невозможно — размером в несколько метров.

Тем не менее, ряд технических ухищрений и существенные средства, которые на эти работы выделялись в надежде, что мощные лазеры помогут осуществить управляемый термоядерный синтез, позволили в середине 1970-х годов создать в Ливерморской национальной лаборатории (США) лазерную систему Janus, которая состояла из двух лазеров (или, как их принято называть, каналов) и достигла пиковой мощности в 1 тераватт (10¹² ватт). Длительность импульсов в этой установке составляла 0,1 наносекунды, поэтому энергии в них все также было относительно немного — порядка 100 Джоулей. Там же в 1977 году был запущен практически аналогичный лазерный комплекс Shiva, в котором, однако, было уже 20 каналов, что позволило в 10 раз увеличить и выходную мощность излучения: каждый лазерный луч содержал порядка 500 Дж в импульсе длительностью около наносекунды, что в сумме давало 10 тераватт мощности.

Слева — система труб усилителя лазерной установки Shiva. Некоторые сцены фильма Трон (1982 года) снимались в этом зале. Справа — внутренности камеры, в которой происходило облучение мишеней (они закреплялись на кронштейн, свисающий сверху). Выступащие внутрь камеры трубки — различные детекторы. Фото с сайта en.wikipedia.org

Следующим этапом на этом пути стало создание в 1984 году лазерной системы Nova. В ней было меньше каналов — всего десять — но зато удалось увеличить энергию импульсов в каждом из них. Длительность импульсов тоже немного выросла — до 2–4 наносекунд, но при достигнутой энергии в 10 килоджоулей мощность каждого канала увеличилась до нескольких тераватт, а в целом система достигла уровня 50 тераватт, которые, правда, для более эффективного запуска термоядерных реакций преобразовывались в ультрафиолет мощностью около 16 тераватт.

Растянуть, усилить, сжать

Именно в этот момент приехавший из Франции профессор Рочестерского университета Жерар Муру и его аспирантка Донна Стрикленд выпускают статью, в которой предлагают принципиально иной подход к достижению рекордно высоких мощностей (D. Strickland, G. Mourou, 1985. Compression of amplified chirped optical pulses). Предложенный ими метод получил название «усиление чирпированных импульсов» (chirped pulse amplification, CPA), от английского chirp — чириканье.

Жерар Муру в Лаборатории лазерной энергетики (Laboratory for Laser Energetics) Рочестерского университета, 1987 год. Фото с сайта rochester.edu

Чирпированными называют импульсы, у которых составляющие их частоты разнесены во времени — сначала, например, идут более низкие, а затем более высокие. Похожим образом устроены трели некоторых птиц: они сначала издают более низкие звуки, постепенно повышая их тон. В русскоязычной литературе такие импульсы принято называть частотно-модулированными.

Основная идея метода заключается в том, чтобы увеличить длительность усиливаемых лазерных импульсов без изменения их частотного состава. Это достигается за счет пропускания через системы с дисперсией, в которых скорость распространения света зависит от его частоты. Когда через такую систему, в которой, например, более низкие частоты распространяются быстрее, чем более высокие, проходит короткий импульс, то на выходе он приобретает «чирп» и становится длиннее. Примеры часто используемых систем с дисперсией — пара призм или пара дифракционных решеток.

Схема работы метода CPA. Лазерный импульс на паре дифракционных решеток растягивается, приобретая чирп, затем усиливается, и сжимается обратно на второй паре дифракционных решеток. В результате его мощность многократно возрастает. Рисунок из пресс-релиза Нобелевского комитета

Отдельным техническим достижением Ж. Муру, которое было опубликовано немного позже, стала демонстрация того, что чирпирование позволяет увеличивать длительность импульсов в тысячи раз (M. Pessot, P. Maine, G. Mourou, 1987. 1000 times expansion/compression of optical pulses for chirped pulse amplification). Сейчас на практике удается получить удлинение даже в сотни тысяч раз: импульсы длительностью в 20–30 фемтосекунд (1 фс = 10⁻¹⁵ с) растягиваются до нескольких наносекунд. Пропорционально удлинению падает и мощность лазерного импульса, что позволяет продолжить его усиление в кристаллах. При этом частотный состав импульса сохраняется, что позволяет в дальнейшем сжать импульс обратно, пропустив его через диспергирующую систему, обратную первоначальной, — то есть такую, в которой наоборот, более высокие частоты бегут быстрее более низких.

Критически важным для метода CPA оказался тот факт, что при отражении материалы способны выдерживать значительно более высокие интенсивности излучения, чем при его распространении внутри того же материала. По этой причине диспергирующую систему, в которой происходит окончательное сжатие лазерного импульса, — компрессор — в подавляющем большинстве случаев выполняют на основе дифракционных решеток, которые работают как раз на отражении.

Дифракционное зеркало, используемое в петаваттной лазерной системе Vulcan в Лаборатории Резерфорда — Эплтона (Великобритания). Фото с сайта asia-robotica.blogspot.com

Чирпирование позволило увеличивать мощность не за счет увеличения энергии, а за счет уменьшения длительности импульсов. Импульсы короче наносекунды умели получать и до этого, но в них не удавалось закачать большую энергию. Теперь это стало возможным. Кроме того, практически одновременное был открыт новый лазерный материал с уникальными характеристиками — титан-сапфир, представляющий собой оксид алюминия в виде минерала корунда, легированный ионами титана (P. F. Moulton, 1986. Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al₂O₃). Он смог обеспечить генерацию лазерных импульсов длительностью всего в 20–30 фемтосекунд, а при некоторых ухищрениях — и того меньше: современный рекорд составляет приблизительно 5 фс (S. Sartania et al., 1997. Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate). Для сравнения: период электромагнитной волны оптического диапазона составляет 2–3 фс, то есть титан-сапфировые лазеры способны создавать импульсы, содержащие меньше десятка периодов.

Что сейчас и дальше

Такие лазеры сверхвысокой мощности и сверхкороткой длительности оказались компактными и относительно недорогими. Это привело к их широкому распространению: если до этого тераваттные системы были доступны только лабораториям национального уровня, то теперь их могли позволить себе даже небольшие университетские лаборатории.

Кстати, один из каналов системы Nova, про которую шла речь выше, также оснастили системой CPA, и в 1996 году на нем была достигнута совершенно фантастическая мощность 1,25 петаватта (D. M. Pennington et al., 1997. Petawatt laser system). Началась эра петаваттных лазеров. В дальнейшем ее мощность довели и вовсе до 1,5 петаватт (M. D. Perry et al., 1999. Petawatt laser pulses) — рекорда, который держался более 10 лет. И даже сейчас, уже 20 лет спустя, ученые лишь немногим превзошли достижение ливерморской команды. В 2016 году китайская лазерная система SULF (Superintense Ultrafast Laser Facility) достигла мощности излучения почти 5,5 петаватт (Z. Gan et al., 2017. 200 J high efficiency Ti:sapphire chirped pulse amplifier pumped by temporal dual-pulse).

Главным ограничивающим фактором теперь стал размер сжимающих импульс дифракционных решеток. Для мощности в один петаватт их поперечный размер должен составлять десятки сантиметров. При этом дифракционная решетка — технологически сложный элемент. Ее поверхность должна быть покрыта тонкими штрихами субмикронной толщины, при этом критически важно, чтобы толщина штрихов по всей поверхности была строго определенной и не отклонялась бы от нужного значения более чем на несколько долей процентов.

Для дальнейшего роста мощности импульсов ученые планируют вернуться к старой идее — свести в точке излучение нескольких петаваттных лазеров. Впервые об этом заговорил все тот же Ж. Муру, инициировавший в конце 2000-х годов проект создания целой сети мощных лазерных комплексов следующего поколения Extreme Light Infrastructure (ELI, см. также клип, снятый Муру и его коллегами для продвижения этого проекта). Проект изначально предполагал строительство четырех центров. Три из них уже почти построены, и только последний, самый главный, в котором планировалось достичь мощности излучения более 100 петаватт, был отложен (см. ELI Whitebook).

В 2012 году похожий проект 200-петаваттной системы был предложен российскими учеными из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. Инициированный А. М. Сергеевым (тогда зам. директора ИПФ РАН, а ныне — Президент РАН) проект XCELS был формально поддержан Правительством России и включен в число проектов класса MegaScience, однако его финансирование пока не начиналось. В этом проекте предполагается сведение в точку 12 каналов мощностью по 15 петаватт каждый (см. XCELS Project Summary). Кстати, Ж. Муру приложил руку и к этому проекту, поскольку как раз в 2010–2014 годах возглавлял лабораторию в Нижегородском государственном университете по программе так называемых мегагрантов (Лаборатория экстремальных световых полей).

Наконец, свои планы на рекордно мощный лазерный комплекс недавно объявили и китайцы. Их проект Station of Extreme Light (SEL) предполагает создание системы из четырех каналов мощностью 30 петаватт каждый. В США ставка пока что сделана на финансирование относительно небольших установок петаваттного и мультипетаваттного уровня, однако в Рочестерском университете предложено создать лазерную систему OPAL (Optical Parametric Amplifier Line) с одним каналом, но на основе составных дифракционных решеток. Их цель — импульсы мощностью 75 петаватт.

От открытия до премии

Интересна судьба нобелевских лауреатов после завершения совместной работы в Рочестере. Жерар Муру в 1988 году перебрался в Мичиганский университет, где создал одну из ведущих экспериментальных групп в области лазеров сверхвысокой мощности и становится признанным лидером в этой области. В середине 2000-х годов он возвращается во Францию и инициирует целый ряд новых проектов, включая уже упоминавшийся ELI, а также, например, создание лазерной системы на основе когерентного сложения излучения миллионов волоконных систем (ICAN, International Coherent Amplification Network, см. T. Tajima et al., 2013. ICAN: The Next Laser Powerhouse), которую предлагается использовать, например, для сведения с орбиты космического мусора (R. Soulard et al., 2014. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal).

Донна Стрикланд после получения степени PhD вернулась в родную Канаду. Там она некоторое время работала в группе еще одного известного специалиста в области лазерной физики Пола Коркума — три года назад компания Thomson Reuters называла его в числе потенциальных кандидатов в лауреаты Нобелевской премии (см. Кто получит Нобелевские премии — по прогнозу Thomson Reuters) за создание метода генерации импульсов аттосекундной длительности (1 ас = 10⁻¹⁸ с). Затем Стрикленд работала в Ливерморе и Принстоне, пока не получила младшую профессорскую должность (сначала assistant professor, затем associate professor) в довольно скромном Университете Уотерлу — даже в Канаде он проигрывает в статусе, по крайней мере в области физики, еще как минимум трем университетам.

Донна Стрикленд в своей лаборатории. Фото с сайта theconversation.com

Ну и нельзя не отметить, что Донна Стрикленд стала всего лишь третьей женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике, — вслед за Марией Склодовской-Кюри и Марией Гёпперт-Майер.

Альтернатива ускорителям

Метод, придуманный Муру и Стрикленд, конечно, не был бы так замечателен, если бы у созданных на его основе лазерных систем не нашлось бы важных приложений.

Мне как-то довелось пообедать с Ж. Муру, и он, вспоминая свои годы в Рочестерском университете, рассказал, что после изобретения метода прикинул, какую максимальную мощность излучения можно получить с дифракционными решетками разумных размеров, — получилось около петаватта. Если такую мощность сфокусировать в предельно малое пятно радиусом 1 микрон (дальнейшее уменьшение размера пятна невозможно из-за дифракции), то в фокусе можно достичь интенсивность около 10²³ Вт/см² (текущий рекорд, кстати, был получен в созданной Ж. Муру группе в Мичигане — чуть выше 10²² Вт/см²).

Получив такое огромное число, Ж. Муру созвал на семинар всех физиков Рочестерского университета, попросив их подумать, что можно было бы сделать принципиально новое, имея излучение столь высокой интенсивности. Два часа обсуждений привели к неутешительному выводу — ничего.

Забавно, что к тому времени уже была опубликована статья двух специалистов в области теории плазмы, Тосико Тадзимы и Джона Доусона, в которой была выдвинута идея одного из главных приложений сверхмощных лазеров в настоящее время — лазерно-плазменного ускорения электронов (T. Tajima and J. M. Dawson, 1979. Laser Electron Accelerator).

К сожалению, сообщества физиков-плазменщиков и физиком-лазерщиков пересекались очень слабо и про работу Тадзимы и Доусона никто на семинаре в Рочестере не вспомнил. Свел их с Муру несколько позднее сотрудник американской Морской исследовательской лаборатории (Naval Research Laboratory), который был знаком с достижениями в обоих областях. Его имя, к сожалению, я во время обеденного разговора не запомнил.

Таким образом, петаваттные лазеры сейчас используются в основном для генерации пучков энергичных частиц: электронов, протонов и других ионов. Выступая как альтернатива традиционным ускорителям, работающим на основе радиочастотных резонаторов, сверхмощные лазеры позволяют, например, ускорить электроны до нескольких гигаэлектрон-вольт на расстоянии порядка нескольких сантиметров, в то время как для традиционных методов для этого потребовалась бы вакуумная труба длиной в сотни метров (Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения, «Элементы», 17.08.2011). Перспективным применением ускоренных электронов является генерация сверхъяркого рентгеновского излучения, с помощью которого можно проводить фазо-контрастную рентгенографию, востребованную в медицине (см. популярную лекцию Как собрать в точку квадриллион ватт энергии и спасти чью-то жизнь).

Достижения в области лазерного ускорения протонов и ионов значительно скромнее: текущий рекорд энергии полученных протонов не превышает 100 мегаэлектрон-вольт (Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским, «Элементы», 02.06.2008), в то время как традиционные ускорители позволяют получать гига- и даже тераэлектрон-вольты. Чуть более быстрые протоны — с энергией около 200–400 МэВ — можно было бы использовать для протонной лучевой терапии. Сейчас же они находят свое применение в основном для протонографии и сверхбыстрого нагрева вещества до высоких температур, позволяющего изучать состояния с высокой плотностью энергии, характерные для недр планет и звезд. Кроме того, протоны удается эффективно конвертировать в нейтроны, создав сверхъяркий источник для нейтронографии и нейтронной физики. Такие источники потенциально могут помочь, например, разобраться с плохо изученным r-процессом (быстрый захват нейтронов тяжелыми ядрами), который имеет фундаментальное значение для нашей Вселенной, поскольку, по всей видимости, обеспечил наличие в ней существенного количества атомов элементов тяжелее никеля (Создан самый яркий лабораторный источник нейтронов, «Элементы», 31.10.2014).

Наконец, при мощности в десятки петаватт захватывающей выглядит возможность изучать квантовые свойства вакуума. Интенсивность излучения в этом случае позволит рождать высокоэнергичные гамма-фотоны, тут же распадающиеся на электрон-позитронные пары. За времена меньше оптического периода плотность образующейся плазмы может достичь невероятных значений вплоть до 10²⁶ см⁻³. Такие системы позволят рутинным образом изучать квантовую электродинамику в сильно нелинейном режиме взаимодействия (см.: A. Gonoskov et al., 2017. Ultrabright GeV Photon Source via Controlled Electromagnetic Cascades in Laser-Dipole Waves; E. S. Efimenko et al., 2018. Extreme plasma states in laser-governed vacuum breakdown; Ученые нашли метод получения экстремально плотной электрон-позитронной плазмы).

См. также:
Нобелевская премия по физике — 2018, «Элементы», 09.10.2018.

Артём Коржиманов