Научный руководитель Национального центра физики и математики, академик Александр Сергеев рассказал об устройстве и возможностях новой мощной установки в Центре исследований экстремальных световых полей.
Что такое фемтосекундные лазеры?
Фемтосекундные лазеры — это лазеры очень коротких световых импульсов. Впервые они появились в 1980-х годах. Сразу стало понятно, что они открывают массу возможностей:
- В области информационных технологий: чем короче импульс, тем большее количество информации можно передать за единицу времени. Это активно используется в современных системах.
- В биофотонике, которая изучает применение света для диагностики и лечения заболеваний. Так с помощью оптического биоимиджинга маркируют границы опухоли.
- В физике горячей плазмы: мощный фемтосекундный лазер может создать электрическое поле достаточной напряженности, чтобы мгновенно превратить материю в плазму.
Каким будет новый лазер?
Самые интересные современные импульсные лазеры, в числе которых российский УФЛ-2М, работают с импульсами длительностью порядка 10 наносекунд. У нового лазера XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies, Центр исследований экстремальных световых полей) импульсы будут на шесть порядков меньше, 10 фемтосекунд.
XCELS сможет генерировать сверхсильные оптические поля. Пиковая мощность достигнет 10^18 Вт, что сделает эту установку класса «мегасаенс» самым мощным в мире двухканальным 100-петаваттным лазером.
Установка класса «мегасаенс» основана на идее, что напряженность лазерного поля в области фокусировки можно увеличить на порядок, если работать не с одним лазерным импульсом, а с несколькими, «сложив» их в цели. В установке XCELS будет 12 синхронизированных каналов.
Достичь высоких показателей удастся с помощью инновационной техники параметрического усиления чирпированных импульсов. Принцип довольно прост: короткий лазерный импульс растягивают во времени, усиливают, а затем снова сжимают. Это позволяет значительно нарастить мощность, не повреждая оптические элементы установки.
Нобелевская премия по физике 2018 года была присуждена как раз за открытие этой техники:
«Примечательно, что один из лауреатов, французский ученый Жерар Муру, в 2010‑е годы часто бывал в России и вместе с нами начинал проектировать XCELS», — отметил Александр Сергеев.
Взорвать вакуум
Полтора века назад ученые «сломали» атом, чтобы понять, как он устроен, а столкновение атомных ядер в ускорителях помогло выявить и другие элементарные частицы. Так благодаря экспериментам на Большом адронном коллайдере в 2012 году был обнаружен бозон Хиггса, последняя из открытых элементарных частиц. Для новых открытий нужны новые установки.
По словам академика, в ходе одного из первых экспериментов на новом «царь-лазере» ученые планируют «взорвать вакуум», что пока не удалось никому в мире:
«В соответствии с современными физическими теориями вакуум — это не пустота, а так называемое море Дирака, заполненное виртуальными частицами и античастицами. В сильных полях мы можем переводить частицы из виртуального состояния в реальное. И получим новые, уникальные данные об устройстве материи, о том, как появилась Вселенная», — объяснил Александр Сергеев.
На какой стадии проект?
На первом этапе, к 2030 году будут построены два канала суммарной мощностью 100 петаватт. С их помощью будут отработаны критические компоненты будущего XCELS. Следом будут постепенно вводится в работу остальные 10 каналов. В результате пиковая мощность будет доведена до экзаваттного уровня.
Читайте полное интервью с Александром Сергеевым в журнале Страна Росатом.
Подписывайтесь на наш канал https://dzen.ru/rosatomnauka и следите за новостями российской науки!
Присоединяйтесь к команде научного блока «Росатома», актуальные вакансии – на карьерном портале.