Эксаваттный лазер взломает секреты природы за фемтосекунду
Физики собираются построить лазер, от луча которого у материи, фигурально выражаясь, снесёт крышу. Дабы представить его мощность в лазерных указках, необходимо оперировать секстиллионами. Сосредоточенный в доле миллиметра поток высветит новые тайны природы.
Жаль, заметить эту вспышку человек не сможет – она будет столь мала, что моргание на её фоне покажется вечностью.
В этом году исполняется 50 лет лазеру, история появления которого богата на занимательные повороты. Руку к этому направлению науки приложили много учёных по обе стороны океана. А в первой половине 60-ых годов двадцатого века за фундаментальные работы по квантовой электронике, приведшие к рождению лазеров и мазеров, Нобелевку по физике взяли сходу трое исследователей из США и СССР.
Юбилей же связан вот с чем: самый первый функциональный лазер был выстроен в лабораториях Хьюза (Hughes Research Laboratories), в Малибу, в первой половине 60-ых годов двадцатого века.
Физик Теодор Мейман (Theodore Maiman) из Hughes Research Laboratories и созданный им первый в мире лазер, что первый раз был включён 16 мая 1960 года (фото HRL Laboratories).
Сейчас о применении и разновидностях лазеров возможно писать не то что статьи — целые книги. Самые мелкие лазеры необходимо рассматривать под микроскопом, самые большие установки занимают огромные залы а также строения размером со стадион. Замечательнейшие лазеры постоянного действия добрались до отметки в милионов ватт, а самые короткоимпульсные – до масштаба времени в пара аттосекунд.
Лазеры завоевали сообщение и индустрию развлечений, они нашли работу в медицине и в отраслях индустрии, большим мобильным установкам прочат карьеру в военной отрасли, маленьким лазерным чипам — успех в электронике…
Но самые внушительные совокупности — это, само собой разумеется, «игрушки учёных»: импульсные лазеры, талантливые на триллионные доли секунды создавать самые замечательные и броские лучи на Земле. Как раз они разрешают физикам заглядывать в глубины материи, подвергая её концентрированному световому удару и заставляя переходить в необыкновенное состояние либо, допустим, запускать реакции ядерного синтеза.
Тут серьёзны главные параметры установок: мощность излучения, количество энергии в импульсе (одно с другим связано, разумеется, через длительность вспышки), а ещё интенсивность потока — мощность, приходящаяся на единицу площади создаваемого лучом светового зайчика. Не обязательно совокупность, лидирующая по одному показателю, будет рекордсменом в другом, но в целом их параметры выглядят впечатляюще. По большей части речь заходит о сотнях тераватт в луче.
Лазер именуют одним из самых значимых изобретений XX века. От первых физических опытов до проникновения во множество сторон деятельности человека лазеры прошли огромный путь.
В массы лазерные разработки вывели CD и проигрыватели для них (созданные в конце 1970-х). Но как раз у физиков постоянно оставались самые большие, самые необыкновенные и уникальные лазерные совокупности (фотографии Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, Air Force Research Laboratory, wikipedia.org, Lawrence Livermore National Laboratory).
Благодаря установкам для того чтобы типа учёные нагревают вещество до температуры центра Солнца, заглядывают в сердцевину планет-гигантов, изучают поведение бриллианта 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, кстати).
Какие конкретно фокусы с веществом способен проделывать «тераваттный свет» — возможно рассуждать продолжительно. Но что тогда сказать о росте мощности лазеров ещё на пара порядков? Таковой поток излучения способен открыть перед экспериментаторами совсем новые грани материи.
Тодд – директор научной группы лазеров высокой интенсивности университета Техаса (High Intensity Laser Science Group) (фото University of Texas at Austin).
Как раз об этом грезит доктор наук Тодд Дитмайр (Todd Ditmire). Грезит в полной мере обоснованно. Именно в его лаборатории на данный момент трудится самый замечательный лазер на планете — Texas Petawatt Laser, развивающий 1,1 петаватта (1100 тераватт либо 1,1 х 1015 ватт)!
Для сравнения: суммарная мощность всех электростанций мира на данный момент образовывает чуть больше двух тераватт (эти источников мало разнятся), другими словами в 530-540 раз меньше.
Texas Petawatt Laser, само собой разумеется, не разрезает планеты пополам и не обесточивает всю Почву на протяжении работы, поскольку его импульс несёт всего 186 джоулей. Секрет же высокой мощности в том, что эту скромную порцию энергии лазер успевает обрушить на мелкую цель за 167 фемтосекунд. Таковой миг выглядит исчезающе кратким только по меркам человека — в мире молекул и атомов за это время может очень многое случиться.
Так что данный лазер разрешает проводить увлекательные опыты над материей.
Интенсивность света в луче нынешней техасской установки достигает 10 х 1021 Вт/см2, либо 10 миллиардов триллионов ватт на квадратный сантиметр, что есть одним из лучших показателей в мире. (Мы говорили, как второй американский лазер, пара 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 говорит, что людям в полной мере по силам создать установку мощностью в один эксаватт! Это уже тысяча петаватт – в 500 тысяч раза больше всей энергосистемы Почвы. Очевидно, эту большую мощность новый лазер будет выдавать в течение считанных фемтосекунд либо ещё стремительнее.
Неспециализированная схема лаборатории Техасского университета с петаваттным лазером. Тут же смонтирован ещё один лазер, меньшей мощности и с куда большей длительностью импульсов аж в пара наносекунд.
Пара этих похожих установок занимает один зал, где на столах закреплено разное оборудование.В отдельной комнате, куда идут лучи, происходит действие лазеров на образцы. Это помещение окружено лучевой защитой (радиация появляется при облучении целей замечательными световыми вспышками). Ещё в одной комнате расположен контрольный пульт, и в отдельном помещении – шкафы с суперконденсаторами, питающими ужасный импульс (иллюстрация University of Texas).
Кроме того петаваттные лучи разрешают следить за поведением материи при давлениях в пара гигабар, напряжённости электрического поля в десятки миллиардов вольт на сантиметр и релятивистских скоростях электронов в примере. Поднятие мощности ещё на три порядка – как прыжок в неизведанное.
В случае если продолжительность эксаваттной вспышки удастся сократить до 10 аттосекунд, например, станет вероятным создание таких экзотических образований, как атомы без ядра.
Элементы оптической совокупности петаваттного лазера из Техаса снаружи выглядят весьма робко – простое оборудование лазерной лаборатории (фотографии University of Texas).
Самое необычное – для таковой совокупности не потребуется изобретать что-то невиданное. Доктор наук из Техаса говорит, что достаточно скомбинировать уже существующие лазерные разработки да поэкспериментировать с новыми материалами для лазерных усилителей – как и в других лазерах громадной мощности, они необходимы для увеличения энергии в луче, изначально запускаемом в установку довольно маломощным лазером.
В этот самый момент имеется одна любопытная тонкость. Напрямую усиливать до петаваттного уровня очень маленький импульс – не получается. Из-за нелинейных оптических эффектов в усилителях будут появляться повреждения.
Но имеется красивый выход. Очень маленький, но маломощный импульс (к тому же – широкополосный) физики направляют в комплект из зеркал, дифракционных решёток и линз, что за счёт различной длины пути для волн различной частоты растягивает импульс во времени в 10 тысяч раз. Таковой пучок нормально разрешает пропустить себя через усилитель, «отъедается» много джоулями, а позже его переправляют в ещё один комплект из дифракционных решёток и зеркал, что сжимает импульс во времени обратно.
Так вот, данный принцип, известный как «усиление чирпированных импульсов» (Chirped pulse amplification), согласно точки зрения Дитмайра, замечательно подойдёт и для лазера мощностью в эксаватт. Практически разработчикам нового «чудища» потребуется увеличить и скорректировать дизайн нынешнего петаваттного рекордсмена.
Схема усиления чирпированных импульсов. Внизу – отдельная схема «растяжителя» светового пучка во времени. «Компрессор» трудится похожим образом (иллюстрации University of Texas, wikipedia.org).
Цель Дитмайра и его команды на ближайшее будущее — доводка существующей в университете совокупности до отметки, в то время, 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 грезы», вычисляет физик, может занять 10 лет. По всей видимости, американец нацелился поставить рекорд точно к 60-летнему юбилею лазера.
Для празднования полувекового юбилея лазера Американское физическое общество (American Physical Society) и ряд других научных организаций запустили годовой проект LaserFest, в рамках которого в мире пройдут мероприятия, служащие популяризации истории лазера, его действия на общество и современных инноваций в данной области (go_nils/ flickr.com, TRUMPF, CTA Lasers, Griffith University).
