ЭКЗАВАТТНЫЕ ЛАЗЕРЫ:
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ
С подробным сообщением о новом этапе развития физики — экзаваттных лазерных системах — на научной сессии Общего собрания СО РАН выступил заведующий лабораторией физики лазеров сверхкоротких импульсов к.ф.-м.н. Е. В. Пестряков.
 |
|
После бурного рывка в самом начале зарождения лазерной физики как науки последовал долгий период, когда продвижения вперёд почти не наблюдалось, так как мощность лазеров достигла определённой величины, которую стало возможно изменить только после того, как была введена новая элементная база и появились новые принципы усиления импульсов короткой длительности. Тогда предельной короткой длительностью импульса были фемтосекунды. Импульсы генерировались лазерами на красителях, а продвижение в область высоких энергий сдерживалось отсутствием активных сред, выдерживающих высокие плотности мощности. Был предложен метод усиления импульсов, который состоит в том, что импульс сначала расширяется с помощью стретчера, потом усиливается, затем сжимается с помощью компрессора, имеющего дисперсию, обратную той, которую имеет стретчер.
Второе направление связано с появлением новой активной среды — титан-сапфира, который обладает уникальными свойствами. Ширина полосы такой среды находится в районе 220 нанометров, что позволяет усиливать импульс до 3 фемтосекунд, и эта среда настолько хороша по оптическим качествам, что она до сих пор занимает лидирующее место в фемтосекундных лазерах.
Для фемтосекундных лазеров исследовались также такие среды как хризоберилл. Эти работы велись совместно с ИГиГ СО АН СССР (середина 80-х гг.), а затем с Институтом геологии и минералогии. В качестве активной среды также использовался двухвалентный титан, и была получена генерация импульса, показавшая, что такая среда не уступает титан-сапфиру, но её матрица сложнее в подготовке, и невозможно добиться таких же физических данных, как у сапфира. Поэтому хризоберилловая среда отошла на второй план, и сейчас основной средой является именно титан-сапфир.
Разработка новых активных сред для лазеров и новых методов усиления импульсов позволила исследователям достичь диапазона такой интенсивности, которая называется релятивистской (1018 Вт). Релятивистские интенсивности получаются с помощью лазеров тераваттного, мультипетаваттного и петаваттного диапазонов. Пиковая мощность таких лазеров — 1015 Вт в петаваттном лазере. Такие интенсивности позволяют говорить о новых физических явлениях — например, о получении экстремальных состояний вещества. Если облучать твёрдую мишень с помощью фемтосекундного лазера, наблюдается явление так называемого холодного плавления. Возникает резкое возрастание температуры и давления внутри фокуса, и при этом не происходит изменение его объёма. Такие эксперименты позволяют изучать процессы, происходящие в звёздах.
Подобные интенсивности позволяют генерировать импульсы аттосекундной (10-18 сек) длительности. Вопрос о генерации аттосекундных импульсов стал актуален, поскольку существуют широкие возможности применения их в изучении динамики электронов, атомах и молекулах. Аттосекундные импульсы могут быть получены при генерации высших гармоник в газовых средах, при взаимодействии излучении фемтосекундного лазера с газовой средой или при облучении твердотельной мишени. Можно утверждать, что такая техника открывает новую эру в физике и химии, и мы можем говорить уже об аттофизике и аттохимии.
В настоящее время речь может идти о вторжении в область ультрарелятивистских интенсивностей, создающих принципиально новый режим взаимодействия между светом и веществом, но для этого необходимо создать лазеры экзаваттной (1018 Вт) и зеттаваттной (1021 Вт) мощности. А чтобы создать такие системы, необходимо перейти к многоканальной схеме создания этих источников, в которых бы всё контролировалось оптическими часами для того, чтобы когерентность канала была выверена с точностью до сложения полей. Сложение полей в такой системе позволяет выйти на уровень мощности
1026–1027 Вт и планировать создание систем мультипетаваттной и экзаваттной мощности, переходя к постановке экспериментов по вскипанию вакуума и связанных с ним релятивистских эффектов.
В настоящее время можно назвать такие современные системы как тераваттная в Институте лазерной физики СО РАН (г.Новосибирск), в Сарове и Институте прикладной физики в Нижнем Новгороде, и петаваттная система, которая развивается сейчас в Германии. Все они построены на линейном принципе усиления. ИЛФ разрабатывает экзаваттную систему в сотрудничестве с рядом институтов, сформировав коллектив, который активно занимается этой проблемой.
стр. 8
|
