Евгений Стрелков
Ученые из Института прикладной физики сумели решить сложнейшую научно-технологическую проблему – свести в одну точку 12 усиленных фемтосекундных импульсов.
Одним из определяющих условий получения значимых научных достижений являются уникальные экспериментальные установки. Именно такая установка построена в Институте прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород). Это – сверхмощный петаваттный (1015 ватт) фемтосекундный (10–15 с) лазер PEARL (PEtawatt pARametric Laser).
Петаваттные монстры
Сразу надо отметить, что у PEARL уже есть «наследник» – аналогичный по принципам усиления лазер XCELS (еXawatt Center for Extreme Light Studies) с проектной мощностью уже как минимум в 100 петаватт для двухканального варианта. В случае запланированной в перспективе 12-канальной системы полная мощность излучения достигнет 600 петаватт, что почти в 100 раз превышает недавние рекордные значения.
Конечно, согласовать по времени все процессы в огромной лазерной системе с усилителями, разветвителями и компрессорами света на таких малых временных масштабах – отдельная задача. Требуется, чтобы все 12 усиленных фемтосекундных импульсов сошлись в фокусной точке в фазе. Но, похоже, эта сложнейшая задача в Институте прикладной физики в целом решена.
Отметим, что с момента создания в начале 1960-х годов первых лазеров пиковая мощность излучения постоянно растет и недавно достигла мультипетаваттного уровня. Целый ряд лабораторий в мире располагает лазером мощностью в 1 петаватт. Эти лазеры позволяют проводить уникальные исследования в области физики высоких энергий и астрофизики, а также могут в недалеком будущем применяться в материаловедении и биомедицине.
Каждый такой лазер – внушительная оптическая машина, занимающая большой зал, который световой импульс пронизывает прихотливым зигзагом, проходя по пути различные трансформации. Исходный очень короткий (несколько периодов поля) импульс вначале растягивают, чтобы его можно было усиливать без ущерба для материала самого усилителя. А уже потом усиленный импульс окончательно сжимают в специальном компрессоре.
И растяжение, и сжатие светового импульса осуществляется с помощью так называемых дифракционных решеток, которые, как и более привычные нам призмы, обладают дисперсионными свойствами. Короткий импульс можно представить в виде набора гармоник разных длин волн. И каждая длина волны что в решетке, что в призме из-за дисперсии проходит свой путь – это и позволяет на входе лазера растягивать импульс, а на выходе сжимать.
Кристаллы DKDP
Импульс усиливается в несколько этапов, но принцип в этой лазерной конструкции общий – параметрическое усиление на удивительном кристалле DKDP (дигидроортофосфат калия). Он обладает нелинейными свойствами, что принципиально для параметрического усиления.
Кристаллы DKDP выращивают тут же, в Институте прикладной физики. Кристаллография в Нижнем Новгороде имеет свою почтенную традицию, и в рамках этой традиции в ИПФ РАН в свое время была разработана технология получения этих водорастворимых кристаллов большой величины, что важно. Размер имеет значение, ведь плотность энергии в лазерном луче такова, что может разрушить любой материал. Чтобы избежать разрушения, апертура (характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять размытию деталей изображения) должна достигать нескольких десятков сантиметров. И вырастить подходящий кристалл размера 30 на 30 см – отдельная сложная задача, и она тоже решена в Институте прикладной физики РАН.
В кристалле DKDP реализуется трехволновое взаимодействие, когда энергия перекачивается от одной волны к другой. Принцип параметрического усиления преподаватели физики любят пояснять на примере качелей: вовремя приседающий и вовремя привстающий на качелях человек меняет параметры системы – важно все делать в такт или, как говорят физики, важно обеспечить синхронизм колебаний. Что в случае лазерного усилительного каскада обеспечить, пожалуй, посложнее, чем в примере с качелями.
Не будем забывать и о том, что на вход усилительного каскада подается растянутый импульс, то есть не одночастотный сигнал, а целый набор близких частот. И условия синхронизма должны выполняться не для одной частоты, а для определенной полосы частот. Эти условия обеспечить очень непросто, но тут помогают свойства кристалла, обладающего подходящей анизотропией (различие в свойствах среды по разным направлениям) для обеспечения синхронизма в некоторой полосе частот.
Так или иначе, тонкой подгонкой целого ряда параметров удается добиться усиления. И тут наступает заключительный, тоже весьма важный акт этого оптического спектакля.
Усиленный, но длинный импульс поступает в компрессор, где он сжимается до невероятной фемтосекундной длительности. Его мощность, то есть энергия в единицу времени, неимоверно возрастает. Эту операцию по сжатию мощного импульса можно проводить только в вакууме, в резервуаре из которого выкачан воздух и внутри которого размещена система дифракционных решеток. Из-за дисперсионных свойств решетки длинный импульс сжимается, превращаясь в тончайший световой «блин».
Вот этот «блин», несущий огромную энергию, способен на удивительные операции со средой. Если он фокусируется на вещество – твердотельную мишень или струю жидкости или газа, то вещество на пути светового луча такой высокой интенсивности мгновенно испаряется, ионизируется, превращаясь в плазму из заряженных частиц – электронов и ионов. Лазерный импульс способен ускорять эти частицы.
Физика этого процесса довольно сложна. В первом приближении можно описать ее так: давление света «сталкивает» с пути более легкие электроны, но не успевает столкнуть «на обочину» более тяжелые ионы. Они образуют компактную область положительного заряда, способную ускорять пучки заряженных частиц – как электронов, так и протонов.
В результате можно получить электронные и протонные пучки огромной энергии, подобные тем, что получают на ускорителях. Притом что лазерные системы, применяемые в качестве ускорителей частиц, компактнее и дешевле в производстве и в эксплуатации. Получаемые от лазерного ускорителя протонные и электронные потоки могут использоваться в дефектоскопии различных материалов, а также в диагностике и лечении опухолей – тут перспективы весьма широки, и работа в этих направлениях идет очень интенсивная.
|
|
Каждый лазер – внушительная оптическая машина, занимающая большой зал, который световой импульс пронизывает прихотливым зигзагом, проходя по пути различные трансформации. Фото предоставлены Институтом прикладной физики РАН |
Существует и еще более экзотичный эффект. Если в луч сверхмощного лазера попадает «затравочный» электрон, то, осциллируя в сверхсильном электрическом поле лазерного импульса (не будем забывать, что свет – это электромагнитная волна), он способен испустить гамма-квант. Который, в свою очередь, порождает из вакуума – в соответствии с квантовой электродинамикой – пару частиц, электрон и позитрон.
Родившиеся из вакуума частицы тоже получают энергию от лазерного света – и порождают электрон-позитронную пару уже следующего поколения. Процесс становится лавинообразным, и в лазерном фокусе образуется удивительная субстанция – электрон-позитронная плазма, причем огромной плотности.
Объем, где возникает это новое состояние материи, невелик по нашим макроскопическим меркам – его линейный размер порядка миллионной доли метра. Но в сравнении с размером электрона, а главное, с учетом числа электронов и позитронов в «сгустке света», – это целый мир.
Мир, где могут происходить весьма неожиданные вещи, которые трудно даже предсказать. Мы можем только ожидать, что, как и в любой плотной плазме, там наверняка возникнут коллективные эффекты – группировки частиц, колебания и волны. Физика ансамблей частиц в полях высоких интенсивностей будет довольно непривычной. Заряженные частицы, захваченные сильным полем, могут оказаться «вмороженными» в его силовые линии – что-то подобное происходит в магнитосферах звезд и в окрестностях черных дыр, где огромные температуры и плотности сочетаются со сверхсильными магнитными полями.
Таким образом, порожденная сверхмощным лазером электронно-позитронная плазма вместе с большим числом гамма-квантов внутри себя может стать удачной (и при этом уникальной!) моделью околозвездных процессов. В такой плазме могут наблюдаться плазменные «пинчи» – электронные и позитронные струи, «сжатые» магнитным полем до экстремально малой толщины. Интересно, что такие необычные объекты характерны и для плазмы в магнитосферах звезд.
Так что в поговорке «через тернии к звездам» слово «тернии» может получить квантово-электромагнитную интерпретацию – как труднейшего препятствия на пути концентрации электромагнитной энергии сверхмощным лазером. Или, как писал замечательный поэт Александр Введенский в 1930-е годы, в те времена, когда о лазерах еще никто ничего не знал: «из железа… в каплю света».
СУХОЙ ОСТАТОК
В нашей галактике ежесекундно аннигилируют 1043 позитрона.
* * *
В солнечной короне существует класс явлений – быстродинамичные плазменные образования, температура которых до 20 млн градусов, тогда как температура самой солнечной короны – 1–2 млн градусов.
* * *
Во Вселенной существуют реликтовые нейтрино, причем суммарная плотность всех типов нейтрино – около 350 частиц в 1 куб. см. Плотность нейтрино меньше, чем 10% полной плотности вещества во Вселенной. Значит, 90% вещества во Вселенной не нейтрино. Что же это такое? Исследования первичного нуклеосинтеза показывают, что плотность других известных частиц – протонов и нейтронов – во Вселенной тоже небольшая – менее 5%. Итак, более 85% вещества во Вселенной составляют неизвестные нам сегодня частицы.
* * *
За 11-летний цикл активности на Солнце происходит около 37 тыс. вспышек, в максимуме цикла – примерно одна вспышка каждые полтора часа. Земля за 11-летний цикл испытывает более 500 магнитных бурь.
* * *
Количество звезд в нашей галактике Млечный Путь не менее 100 млрд. Общая масса звезд различных типов в нашей галактике – 1041 кг (это примерно составляет 1011 масс Солнца); скорость вращения галактики на расстоянии 1 килопарсек от центра – 250 км/c.
* * *
Мы удаляемся от точки, где в момент рождения Вселенной произошел Большой взрыв, со скоростью 1 079 244 000 км/ч.
* * *
Наблюдаемая космическая плотность энергии – около 10-9 Дж/м3. Следовательно, вся Вселенная содержит около 1072 Дж энергии. Согласно теореме Марголуса–Левитина, Вселенная может выполнять до 10 106 действий в секунду, что дает общее количество операций – 10 123 за все время ее существования.
* * *
Некоторые нейтронные звезды вращаются со скоростью 600 оборотов в секунду, что совпадает со скоростью бормашины в зубном кабинете.
* * *
При гибели звезды выделяется 1053 эрг энергии.
* * *
Расстояние до ближайшей к Земле звезды около четырех световых лет. Если представить Землю бусинкой диаметром 1–2 мм, то вторая бусинка будет располагаться в районе озера Байкал.
* * *
Средняя плотность космических объектов, кг/куб. м: Вселенная 7 х 10–27; скопление галактик 7 х 10–25; межзвездная среда 3 х 10–22; галактика 2 х 10–21; красный гигант 5 х 10-5; Солнце 1,4 х 103; белый карлик 109; нейтронная звезда 107; черная дыра 1096.
* * *
Средняя плотность материи во Вселенной – шесть атомов на кубический метр.
* * *
Существующие сегодня пространственно-временные представления справедливы до расстояний порядка 10–17 см и времен порядка 10–27 с.
* * *
Если допустить, что своим возникновением наша Вселенная обязана некоему творческому акту, тогда точность действий Творца для создания именно нашей Вселенной из всего фазового пространства возможных вселенных должна была бы составлять 1/ (1010) 123. Полученное число нельзя даже выписать в привычной нам десятичной системе исчисления: оно представляло бы собой «1» с последующими 10 123 нулями. Даже если бы мы были в состоянии записать «0» на каждом протоне и нейтроне Вселенной, мало того, использовали бы и все остальные виды частиц во Вселенной, наше число тем не менее осталось бы недописанным.
* * *
Число атомов углерода в Солнечной системе – 1050.
* * *
Диаметр булавочной головки – 0,001 м. Диаметр нашей галактики Млечного Пути – 9,46 х 1020 м.
* * *
Время, за которое лопается мыльный пузырь, – 0,001 с. Один взмах крыла пчелы происходит за 0,03 с. Полный оборот центра Солнечной системы вокруг центра Галактики происходит за 225 млн лет (7,08 х 1013 с).
* * *
Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 м/с; Солнце по отношению к центру Галактики – 250 м/с.
* * *
Квантовополевая парадигма подтверждена сегодня вплоть до энергий 100 ГэВ и соответственно до расстояния около 10–16 см.
* * *
В существующей теории элементарных частиц гравитационное взаимодействие не учитывается, ибо, например, для двух электронов оно в 1043 раза меньше электромагнитного.
* * *
Возможно, что наблюдаемое сегодня состояние Вселенной, которое характерно значительным преобладанием материи над антиматерией, возникло из-за несохранения барионного заряда на очень ранней стадии после Большого взрыва (10–40 с).
* * *
При концентрации достаточного количества энергии происходит рождение новых частиц вещества. Мы можем рассматривать вещество как «запертую» энергию.
* * *
Считается, что электрон – самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в лаборатории (Z-частицы), в 200 000 раз больше массы электрона.
* * *
Масштаб пространства, где работает так называемая Теория Великого объединения и происходит распад протона, в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов, который физикам до сих удавалось исследовать с помощью ускорителей. Для прямого зондирования таких объектов пришлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам Солнечную систему.
* * *
Масса монополя, гипотетической частицы – носители единичного магнитного заряда, должна достигать, согласно расчетам, 1016 масс протона. Как показывают оценки, ежегодно до 200 монополей может попадать на каждый квадратный километр поверхности Земли из космического пространства.
* * *
Согласно гипотезе Калуца, то, что мы называем электромагнетизмом, всего лишь часть гравитационного поля, которая действует в пятом, дополнительном измерении пространства, которое мы не в силах наглядно представить. Шведский физик Оскар Клейн вычислил периметр петель вокруг пятого измерения. Он оказался равным 10–32 см, то есть в 1020 раз меньше размеров атомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше любой из известных нам структур. Скорее это измерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.
