Физики планируют построить лазер, от луча которого у материи, фигурально выражаясь, снесёт крышу. Чтобы представить его мощность в лазерных указках, нужно оперировать секстиллионами. Сосредоточенный в доле миллиметра поток высветит новые тайны природы. Жаль, увидеть эту вспышку человек не сможет – она будет столь коротка, что моргание на её фоне покажется вечностью.
В нынешнем году исполняется 50 лет лазеру, история появления которого богата на интересные повороты. Руку к этому направлению науки приложили немало учёных по обе стороны океана. А в 1964 году за фундаментальные работы по квантовой электронике, приведшие к рождению мазеров и лазеров, Нобелевку по физике получили сразу трое исследователей из СССР и США.
Юбилей же связан вот с чем: самый первый функциональный лазер был построен в лабораториях Хьюза (Hughes Research Laboratories), в Малибу, в 1960 году.
|
||
Ныне о разновидностях и применении лазеров можно писать не то что статьи — целые книги. Самые маленькие лазеры нужно разглядывать под микроскопом, самые крупные установки занимают огромные залы и даже здания размером со стадион. Наимощнейшие лазеры непрерывного действия добрались до отметки в мегаватт, а самые короткоимпульсные – до масштаба времени в несколько аттосекунд.
Лазеры завоевали связь и индустрию развлечений, они нашли работу в медицине и в отраслях промышленности, крупным мобильным установкам прочат карьеру в военной отрасли, крошечным лазерным чипам — успех в электронике...
Но самые внушительные системы — это, конечно, "игрушки учёных": импульсные лазеры, способные на триллионные доли секунды производить самые мощные и яркие лучи на Земле. Именно они позволяют физикам заглядывать в глубины материи, подвергая её концентрированному световому удару и заставляя переходить в необычное состояние или, допустим, запускать реакции ядерного синтеза.
Тут важны ключевые параметры установок: мощность излучения, количество энергии в импульсе (одно с другим связано, очевидно, через продолжительность вспышки), а ещё интенсивность потока — мощность, приходящаяся на единицу площади создаваемого лучом светового зайчика. Не обязательно система, лидирующая по одному показателю, будет рекордсменом в другом, но в целом их параметры выглядят впечатляюще. В основном речь идёт о сотнях тераватт в луче.
Лазер называют одним из самых значимых изобретений XX века. От первых физических экспериментов до проникновения во множество сторон деятельности человека лазеры прошли гигантский путь. В массы лазерные технологии вывели CD и проигрыватели для них (созданные в конце 1970-х). Но именно у физиков всегда оставались самые крупные, самые необычные и оригинальные лазерные системы (фотографии Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Air Force Research Laboratory, wikipedia.org, Lawrence Livermore National Laboratory). |
Благодаря установкам такого типа учёные нагревают вещество до температуры центра Солнца, "заглядывают" в сердцевину планет-гигантов, изучают поведение алмаза при экстремальных условиях, просвечивают взрывающиеся белки и заставляют золото твердеть при скоростном нагреве, да и просто ставят рекорды темпа нагрева (миллиард миллиардов градусов в секунду, между прочим).
Какие фокусы с веществом способен проделывать "тераваттный свет" — можно рассуждать долго. Но что тогда говорить о росте мощности лазеров ещё на несколько порядков? Такой поток излучения способен открыть перед экспериментаторами совершенно новые грани материи.
|
||
Именно об этом мечтает профессор Тодд Дитмайр (Todd Ditmire). Мечтает вполне обоснованно. Как раз в его лаборатории сейчас работает самый мощный лазер на планете — Texas Petawatt Laser, развивающий 1,1 петаватта (1100 тераватт или 1,1 х 1015 ватт)! Для сравнения: суммарная мощность всех электростанций мира в настоящее время составляет чуть больше двух тераватт (данные источников немного разнятся), то есть в 530-540 раз меньше.
Texas Petawatt Laser, конечно, не разрезает планеты пополам и не обесточивает всю Землю во время работы, ведь его импульс несёт всего 186 джоулей. Секрет же высокой мощности в том, что эту скромную порцию энергии лазер успевает обрушить на маленькую цель за 167 фемтосекунд. Такой миг выглядит исчезающе кратким лишь по меркам человека — в мире атомов и молекул за это время может многое произойти. Так что этот лазер позволяет проводить интересные эксперименты над материей.
Интенсивность света в луче нынешней техасской установки достигает 10 х 1021 Вт/см2, или 10 миллиардов триллионов ватт на квадратный сантиметр, что является одним из лучших показателей в мире. (Мы рассказывали, как другой американский лазер, несколько меньшей мощности, за счёт концентрации пучка "в точку" выдал рекордную интенсивность света в 20 х 1021 Вт/см2.)
От таких чисел захватывает дух, но Тодд утверждает, что людям вполне по силам создать установку мощностью в один эксаватт! Это уже тысяча петаватт – в 500 тысяч раз больше всей энергосистемы Земли. Разумеется, эту колоссальную мощность новый лазер будет выдавать в течение считанных фемтосекунд или ещё быстрее.
Общая схема лаборатории Техасского университета с петаваттным лазером. Здесь же смонтирован ещё один лазер, меньшей мощности и с куда большей длительностью импульсов аж в несколько наносекунд. Пара этих похожих установок занимает один зал, где на столах закреплено различное оборудование. В отдельной комнате, куда идут лучи, происходит воздействие лазеров на образцы. Это помещение окружено лучевой защитой (радиация возникает при облучении целей мощными световыми вспышками). Ещё в одной комнате расположен контрольный пульт, и в отдельном помещении – шкафы с суперконденсаторами, питающими чудовищный импульс (иллюстрация University of Texas). |
Даже петаваттные лучи позволяют наблюдать за поведением материи при давлениях в несколько гигабар, напряжённости электрического поля в десятки миллиардов вольт на сантиметр и релятивистских скоростях электронов в образце. Поднятие мощности ещё на три порядка – как прыжок в неизведанное.
Если длительность эксаваттной вспышки удастся сократить до 10 аттосекунд, к примеру, станет возможным создание таких экзотических образований, как атомы без ядра.
Элементы оптической системы петаваттного лазера из Техаса внешне выглядят очень скромно – обычное оборудование лазерной лаборатории (фотографии University of Texas). |
Самое удивительное – для создания такой системы не потребуется изобретать что-то невиданное. Профессор из Техаса утверждает, что достаточно скомбинировать уже существующие лазерные технологии да поэкспериментировать с новыми материалами для лазерных усилителей – как и в других лазерах большой мощности, они нужны для повышения энергии в луче, изначально запускаемом в установку относительно маломощным лазером.
И тут есть одна любопытная тонкость. Напрямую усиливать до петаваттного уровня чрезвычайно короткий импульс – не получается. Из-за нелинейных оптических эффектов в усилителях будут возникать повреждения.
Однако есть изящный выход. Необычайно короткий, но маломощный импульс (к тому же – широкополосный) физики направляют в набор из зеркал, линз и дифракционных решёток, который за счёт разной длины пути для волн разной частоты растягивает импульс во времени в 10 тысяч раз. Такой пучок спокойно позволяет пропустить себя через усилитель, "отъедается" до отвала джоулями, а потом его переправляют в ещё один набор из зеркал и дифракционных решёток, который сжимает импульс во времени обратно.
Так вот, этот принцип, известный как "усиление чирпированных импульсов" (Chirped pulse amplification), по мнению Дитмайра, прекрасно подойдёт и для создания лазера мощностью в эксаватт. Фактически разработчикам нового "чудища" потребуется расширить и скорректировать дизайн нынешнего петаваттного рекордсмена.
Схема усиления чирпированных импульсов. Внизу – отдельная схема "растяжителя" светового пучка во времени. "Компрессор" работает похожим образом (иллюстрации University of Texas, wikipedia.org). |
Цель Дитмайра и его команды на ближайшее будущее — доводка существующей в университете системы до уровня, когда она будет способна генерировать импульс в 200 джоулей длительностью 150 фемтосекунд (мощность в её луче тогда составит 1,333 петаватта).
Ну а реализация "эксаваттной мечты", считает физик, может занять 10 лет. Видимо, американец нацелился поставить рекорд аккурат к 60-летнему юбилею лазера.
|
Источник: Мембрана.Ру