Жерар Муру и нижегородские лазеры
Сверхмощные лазерные импульсы: формирование и применение.
Нобелевская премия по физике за 2018 год была присуждена трем ученым, создавшим оптический пинцет и усилитель для ультракоротких световых импульсов. Метод усиления импульсов был предложен французским физиком Жераром Муру и канадской исследовательницей Донной Стрикленд; при этом Жерар Муру некоторое время работал в Нижнем Новгороде, где расположен один из самых мощных лазеров мира.
Жерар Муру родился в 1944 году во Франции и в 1967 году закончил университет в Гренобле. После этого он долгое время работал в США, где в 1985-м вместе со своей аспиранткой Донной Стрикленд разработал тот самый метод чирпированного усиления импульсов, за который и получил Нобелевскую премию по физике 2018 года: короткая вспышка света очень малой длительности падает на дифракционные решетки, превращается в импульс большей длины, проходит через усилитель, а затем опять сжимается при помощи второй пары дифракционных решеток. Эта технология фактически открыла новую область оптики и не только: сверхмощные лазерные импульсы сейчас активно используются для исследований высокотемпературной плазмы, лазерный скальпель нашел применение в хирургии, и это далеко не полный перечень практических приложений детища Муру и Стрикленд.
Лаборатория экстремальных световых полей в Нижегородском государственном университете имени Лобачевского вместе с Институтом прикладной физики сегодня работает с лазерной системой, которая обеспечивает фокусировку излучения с мощностью порядка 1022 ватт на квадратный сантиметр. Для сравнения: Солнце передает Земле «всего» чуть менее 2*1017 ватт, так что нижегородские лазеры на ничтожно короткое время создают тот же эффект, какой возник бы при фокусировке солнечного света с площади в 50 тысяч раз больше сечения всей планеты! Такая высокая мощность была достигнута, безусловно, не сразу, но работы в этом направлении велись давно.
Отвечая на вопрос «Чердака» о том, почему один из мировых экспертов по мощным лазерам выбрал именно Нижний Новгород, Ефим Хазанов, заместитель директора ИПФ РАН, сказал: «У нас уже тогда был один из мощнейших лазеров мира, так что интерес Муру был понятен. Кроме того, он поддерживал с нами связи ранее: Муру был на нашей конференции в 2001 году, а Александр Сергеев (ныне президент РАН, а до того заместитель директора и директор ИПФ) хорошо знаком с ним лично. Впрочем, Муру в принципе очень контактный исследователь: у него много знакомых и у нас, и в Москве, и в Новосибирске. Мы продолжаем с ним постоянно общаться, недавно виделись на конференции в Германии, а сейчас к нему улетает в командировку один из сотрудников, Сергей Миронов».
Как пояснил некоторое время назад глава Российской академии наук Александр Сергеев, французский исследователь продолжит работу с нижегородской лабораторией, тем более что сейчас российские физики рассматривают проект постройки лазерного комплекса еще большей мощности, XCELS. Для комплекса, который, по оптимистичным оценкам, может быть построен в ближайшие семь лет, потребуется 12 лазеров, подобных работающему сейчас PEARL (английская аббревиатура от слов PEtawatt pARametric Laser, «петаваттный параметрический лазер», складывается в слово pearl, «жемчужина»).
Нарастание мощности излучения вначале приводит к тому, что вещество в лазерном луче нагревается все сильнее — вплоть до плавления и испарения. Лазеры массово используются от гравировки на клавишах ноутбука до раскроя стальных плит, но увеличение мощности дает не просто способность прожигать предметы потолще. С ростом мощности серьезно меняется физика взаимодействия с веществом, и это радикально меняет сферу применения лазеров, иногда даже несколько парадоксальным образом. Например, лазер, которым офтальмологи оперируют роговицу, имеет большую мощность, чем станок для резки металла, и именно рост мощности позволяет минимизировать нежелательные побочные эффекты.
Тот парадокс, что роговицу оперируют инструментом большей мощности, чем тот, который применяется при резке стальных пластин, легко объяснить. Мощная вспышка может мгновенно испарить часть материала, но при этом слабо нагреть окружающий материал. Соответственно, импульсный лазер сможет более аккуратно выполнить разрезы, не затрагивая их окрестности. Медицинский лазер выдает вспышки очень малой энергии (порядка сотен наноджоулей), однако предложенный Муру и Стрикленд метод получения сверхкоротких импульсов позволяет добиться того быстрого испарения, которое невозможно получить на выдающих непрерывный луч промышленных станках.
Точная обработка поверхности не просто позволила бережнее оперировать пациентов или аккуратнее резать материалы. Это новый метод, при помощи которого можно создавать материалы с упорядоченными структурами на поверхности — водоотталкивающие, например. Или метаматериалы с упорядоченными структурами для оптики. Причем это не только зеркала и прочие оптические элементы для видимого света, но также элементы для активно развивающейся технологии рентгеновских лазеров. То есть одни лазеры фактически открывают путь к созданию других, с еще более впечатляющими характеристиками. В Нижнем Новгороде как раз работают с установками, чья мощность многократно превосходит лучшие прикладные лазерные устройства.
Петер Вольлебен. Тайная жизнь деревьев. Что они чувствуют, как они общаются – открытие сокровенного мира / пер. с нем. Н. Ф. Штильмарк; под ред. А. В. Беликович. М.: НИУ ВШЭ, 2017 (Исследования культуры)
Еще мощнее — и вакуум перестает быть просто пустотой. При очень высоких мощностях лазерный луч может создавать рентгеновское и гамма-излучение, а при еще больших значениях — тех, до которых физики намерены добраться в ближайший десяток лет, — в сверхсильном электромагнитном поле начинают рождаться пары из частиц и античастиц. Этот эффект крайне интересен ученым: тут и получение антивещества, и возможность посмотреть в стенах лаборатории на процессы, которые проистекали лишь где-то в начале существования Вселенной.
подготовлено по материалам:
