В 2010 году широко отмечался 50-ти летний юбилей одного из важнейших событий физики XX столетия: изобретения лазера. Как известно, лауреатами Нобелевской премии 1964 года за «фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе» стали советские физики А.М. Прохоров и Н. Басов и американец Чарльз Таунс. За прошедшие полвека лазеры в полном смысле слова вошли в повседневную жизнь. Спектр их применения необычайно широк: от лазерных указок и лазерных проигрывателей до офтальмологических лазеров. В последнее десятилетие полувековой истории в развитии лазерной физики начался новый этап: несколько лет назад в разных странах началось сооружение лазеров сверхвысокой мощности – уровня терра и петаватт. Спектр задач, которые предполагается решать с их помощью, чрезвычайно обширен: от астрофизики до термоядерного синтеза. Есть сверхмощные лазеры и в России. Установка PEARL (в переводе с английского жемчужина) — PEtawatt pARametric Laser (петаваттный параметрический лазер) — построена в нижегородском Институте прикладной физики (ИПФ) РАН в 2006 году. В момент запуска ее мощность составляла 500 тераватт(ТВт) или 0, 5 петаватта (ПВт). Напомним, что 1 тераватт равен 1022 ватт, а 1 петаватт в 1000 раз больше тераватта. Уже сейчас комплекс PEARL входит в число пяти самых мощных лазеров мира.
В ближайшее время, по словам замруководителя отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН члена-корреспондента РАН Е.А. Хазанова, выходная мощность «жемчужины» будет доведена до 1 ПВт. Ефим Хазанов: «Большие мощности потребуют уже принципиально нового оборудования. Сколько это займет времени и сколько на это потребуется денег, сказать сейчас трудно… С точки зрения физики и – что немаловажно, возможностей помещения, которым мы сейчас располагаем – мы рассчитываем достичь мощности в 5-10 ПВт.»
Сооружалась установка PEARL в основном на средства госкорпорации Росатом и Российского Федерального Ядерного Центра (РФЯЦ) в Сарове. У атомщиков сверхмощные лазеры вызывают повышенный интерес: предполагается, что с помощью лазерного луча сверхвысокой интенсивности удастся обеспечить кратковременный нагрев мишеней с дейтерием и тритием, «запустив» реакцию термоядерного синтеза при крайне малом времени жизни дейтерий – тритиевой плазмы – порядка 10-10 сек. Такая перспектива выглядит весьма заманчивой – поскольку необходимость удерживать плазму является одной из главных проблем проекта строительства термоядерного реактора типа токомак. Для токомака время жизни плазмы существенно больше и может достигать одной секунды.
Высокий уровень отечественного «лазеростроения» делает весьма вероятным включение России в амбициозный паневропейский проект ELI (Eхtreme Light Infrastructure). В рамках ELI строится лазерный комплекс с планируемой выходной мощностью 200 ПВт, при этом в трех европейских странах — Венгрии, Румынии и Чехии — предполагается сооружение лазеров, предназначенных для решения самостоятельных задач. Место же размещения четвертого лазера – для фундаментальных исследований по физике вакуума и вещества – еще не определено. «Имеющийся опыт в создании сверхмощных лазеров… и, наконец, строительство мультипетаваттного лазера PEARL-10 являются весомыми аргументами в пользу участия России в уникальном международном мегапроекте». Этими словами завершают свою статью «Экстремальные световые поля и их фундаментальные приложения» координатор проекта ELI, директор лаборатории прикладной оптики в Национальной высшей школе передовых технологий французский физик Ж. Муру и его нижегородские коллеги, сотрудники ИПФ РАН члены-корреспонденты РАН А.М. Сергеев и Е.А. Хазанов и кандидат физико-математических наук А.В. Коржеманов. Статья публикуется в журнале Вестник РАН.
Иностранный член РАН Жерар Муру также работает в России — в статусе руководителя проекта ННГУ им. Н.И. Лобачевского по строительству сверхмощного лазера. В 2010 году проект стал победителем конкурса мегагрантов, организованного правительством РФ; на его реализацию выделено 150 миллионов рублей.
Но что связывает физику вакуума со сверхмощными лазерами? Три десятилетия назад было обнаружено, что при падении лазерного луча высокой интенсивности на твердотельную мишень возникает излучение высокой частоты. Этот эффект и предполагается использовать для возбуждения импульсов крайне малой продолжительности — до нескольких аттосекунд (10-18 сек.) Мощность излучения, переносимого столь короткими импульсами, будет существенно превышать мощность падающего на мишень лазерного луча. А интенсивность излучения может достигать величин, при которых вакуум должен порождать вещество и антивещество в виде пары электрон – позитрон. Компьютерное моделирование соответствующих процессов показало, что при мощности исходного лазерного импульса порядка 10 ПВт и интенсивности лазерного пучка порядка 1023 Вт/см2 можно рассчитывать на достижение необходимой интенсивности в области пространства в несколько нанометров.
Не менее заманчивыми выглядят планы нижегородских физиков использовать сверхмощный лазер для ускорения заряженных частиц. По словам Е.А. Хазанова, с помощью лазера предполагается ускорять пучок электронов, сформированный обычным ускорителем – только тогда пучок ускоренных лазером заряженных частиц будет обладать стабильными параметрами. В этом вопросе ИПФ РАН активно сотрудничает с исследовательской группой гамбургского лазера ХFEL. Сейчас нижегородские физики делают для Гамбурга лазер с нужными немецким коллегам характеристиками. В дальнейшем же предполагается привезти в Нижний Новгород имеющийся у гамбургских физиков ускоритель и «состыковать» его с установкой PEARL (мощность которого, напомним, к тому времени будет существенно увеличена).
В далеком 1964 году советские физики и физик из США разделили Нобелевскую премию. Лазеры — в эпоху холодной войны — становились символом отсутствия у фундаментальных исследований национальных границ. Эту почетную миссию они успешно выполняют и в наше время.
