Сверхмощные лазеры — 2070

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.

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