16 мая 1960 года Теодор Мейман впервые получил генерацию красного когерентного света в кристалле рубина, сделав об этом запись в своей рабочей тетради. Этот простой росчерк пера ознаменовал собой важнейшее событие в науке. Рождение лазера повлекло за собой появление совершенно новых отраслей знания и новых технологий, которые мы сейчас используем в нашей повседневной жизни. Мы уже не удивляемся тому, насколько плотно вошел лазер в нашу жизнь.
Рис.1 Лазер, созданный Теодором Мейманом
К 1960 году создание лазера стало неизбежным и об этом можно судить потому, что Теодор Мейман был первым, но вслед за ним А.Джаваном, У.Р.Бенеттом и Д.Р.Хэрриотом был запущен гелий-неоновый лазер и далее массово стали появляться лазеры других типов. В течение 1960 года было реализовано более 50 различных типов лазеров.
Рис.2 Лазерная установка "Nowa" в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса и Т.Мейман со своим первым лазером
(прессрелиз фирмы TRW 1980 г.)
В настоящее время уже никто не сможет назвать точное число этих устройств. Такое массовое появление различных типов лазеров за столь короткий интервал времени стал возможен благодаря тому, что к этому моменту уже были теоретически сформулированы основные принципы, заложенные в основу этого устройства. Статьи, посвященные теоретическому обоснованию генерации когерентного света стали появляться в печати начиная с 1954 - 1955 годов. Это были работы А.М.Прохорова, Н.Г.Басова, Ч.Таунса и других ученых. Недаром Нобелевская премия за создание лазера была присуждена в 1964 году А.М.Прохорову, Н.Г.Басову и Ч.Таунсу.
Теодор Мейман был первым, кто смог реализовать эти принципы в действующем приборе. Историю создания первого лазера Теодор Мейман описал в книге воспоминаний “Лазерная Одиссея”, которая частично была опубликована на русском языке в журнале “Природа” [1]. Несколько позднее, а именно, в 2000 году, еще одному российскому физику – Жоресу Ивановичу Алферову была присуждена Нобелевская премия за создание непрерывно действующего полупроводникового лазера. Для создания этого типа лазеров потребовалось новое направление в физике – полупроводниковая квантовая электроника.
Но вернемся в 1960-е годы. Интенсивные исследования, идущие по всему миру, направленные на создание и улучшение лазерных устройств, приводили к появлению лазеров со все улучшающимися характеристиками излучения и стремительному росту мощностей генерируемого излучения. И уже к концу 1960-х годов для генерируемых мощностей был превышен уровень 1014 Вт/кв.см. Это казалось естественным пределом для мощности лазерного излучения, поскольку на этих мощностях начинались такие негативные явления, как самофокусировка излучения и оптический пробой рабочего тела лазера, сопровождавшиеся его разрушением. Причем, подобные явления развивались вне зависимости от типа используемого рабочего тела.
Суть этих негативных явлений заключается в том, что при больших генерируемых мощностях, лазерное излучение начинает активно взаимодействовать с рабочим телом лазера, увеличивая его показатель преломления. Показатель преломления рабочего тела становится тем больше, чем выше мощность генерируемого луча. Если учесть, что плотность энергии у генерируемого луча максимальна на его оси, становиться понятным, что в рабочем теле лазера образуется градиент показателя преломления с возрастанием к центру лазерного луча. Теперь, если вспомнить, что свет при своем распространении в среде с переменным показателем преломления всегда отклоняется в сторону увеличения показателя преломления (хорошо известный еще со школьной скамьи закон Снеллиуса), можно понять, что генерируемый луч начнет сжиматься к своей оси. Происходит самофокусировка луча. Процесс самофокусировки приводит к последующему нарастанию плотности энергии в луче, а, следовательно, к еще более сильным изменениям оптических свойств рабочего тела лазера. Но данный процесс не может продолжаться до бесконечности. В какой-то момент локальные значения электрического поля излучения, а свет есть не что иное, как электромагнитная волна, становятся соизмеримыми со значениями этих полей внутри атомов, образующих рабочее тело лазера. Начинается процесс ионизации атомов, т.е. отрыв электронов от атомных ядер, что приводит к разрушению связей в веществе и образованию плазмы. Происходит оптический пробой вещества, сопровождающийся его разрушением.
Казалось, что уже достигнут физический предел мощности генерируемого излучения. И ситуация была таковой до 1985 года, когда Д.Стрикландом и Г.Монро был изобретен метод усиления чирпованных (частотно-модулированных) лазерных импульсов. Появление этого метода стимулировало бурное развитие лазерных технологий и привело к созданию лазерных систем, способных генерировать мощности, превышающие 1 ПВт (1015 Вт). Параллельно с этим стало возможным фокусировать генерируемое излучение в пятно диаметром в несколько длин волн, что позволило достичь плотности мощности излучения до 1022 Вт/кв.см.
Рассмотрим основную идею этого метода. Для начала заметим, что лазерное излучение всегда представляет собой не истинно монохроматическое излучение, т.е. излучение, имеющее одну длину волны, а представляет собой пакет, состоящий из излучений разных длин волн. Только, как говорят физики, этот пакет является очень узким, т.е. содержит в себе очень малый интервал длин электромагнитной волны, сосредоточенный вокруг основной длины волны генерируемого излучения. Другими словами, лазерное излучение имеет свой характерный спектральный состав. Теперь мы можем обратиться к сути метода усиления чирпованных импульсов. Основная идея этого метода изображена на рисунке 3 [2].
Рис.3 Схематическое изображение технологии усиления чирпованных импульсов [2]
Обратимся к верхней части рисунка (рис.3а). Исходный лазерный импульс направляется на дисперсионную оптическую систему (стретчер). Эта система состоит из двух дифракционных решеток и оптической линзовой системы. Короткий лазерный импульс, последовательно проходя дифракционную решетку, систему линз и снова дифракционную решетку, сильно модулируется по частоте. Возникает так называемый чирп. При этом первоначально короткий лазерный импульс за счет пространственного разнесения спектральных компонент оказывается растянутым во времени и пространстве в несколько десятков тысяч раз. Естественно, такой растянутый импульс будет обладать значительно меньшей интенсивностью, по сравнению с интенсивностью первоначального импульса. После стретчера чирпованный импульс поступает в оптический усилитель. Затем он попадает в компрессор (рис.3б), систему, являющуюся по сути обратной стретчеру, в котором импульс сжимается во времени до первоначальной длительности. В результате возникает короткий лазерный импульс, мощность которого значительно превосходит мощность исходного импульса. Преимуществом этого метода является то, что в лазерной среде происходит усиление именно растянутого импульса, что позволяет избежать самофокусировки излучения с последующим оптическим пробоем лазерной среды. Единственным элементом этой схемы, взаимодействующим с мощным излучением, является поверхность последней дифракционной решетки компрессора, разрушение которой происходит при больших значениях мощности.
Изобретение метода получения мощных лазерных импульсов и последующее за этим создание мощных лазерных систем повлекло за собой появление новых, ранее недоступных для физиков, областей знания. Возник интерес к исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Характерной особенностью такого взаимодействия является быстрое изменение состояния вещества и возбуждение в нем интенсивных динамических процессов. Суть происходящих при этом процессов вполне аналогична явлению оптического пробоя вещества, происходящего с образованием горячей плазмы. Поэтому фактически речь идет о взаимодействии мощного лазерного излучения с горячей плазмой. Есть и еще один момент, о котором стоит упомянуть. Большая интенсивность лазерного излучения приводит к тому, что свободные электроны, взаимодействуя с ним, становятся релятивистскими. Изучение этих эффектов привело к возникновению нового раздела физики – релятивистской оптики или физики релятивистской лазерной плазмы.
Исследование взаимодействия сверхмощного лазерного излучения с веществом важно и с практической точки зрения. В связи с этим можно упомянуть и такие проблемы, как получение высокоэнергетичных пучков элементарных частиц, генерация излучения в рентгеновском диапазоне, разогрев плазмы до больших температур и, как следствие, решение проблем термоядерного синтеза.
В настоящее время в мире существует порядка 20 лазерных установок большой мощности и ведется строительство еще не менее 10 установок такого же уровня [2]. Описать все эти установки в рамках этой статьи не представляется возможным. С их перечнем и описанием задач, стоящих перед ними можно ознакомиться в статье [2]. Обратимся к некоторым таким проектам.
Европейский мегапроект ELI (Extreme Light Infrastructure) [3]
Этот проект предусматривает создание уникальной исследовательской инфраструктуры, позволяющей ученым различных стран проводить исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом на максимально возможном на настоящий момент уровне мощности. Данный проект будет состоять из четырех подразделений, находящихся в различных странах Европы, предназначенных для решения своего круга задач.
1. ELI – Beamlines Facility (отдел элементарных частиц)
Этот отдел проекта расположен в г. Прага, Республика Чехия. Круг решаемых в этом отделении задач сосредоточен на получении и исследовании пучков ультрарелятивистских частиц с энергиями до 10 Гэв с помощью компактных лазерных плазменных ускорителей.
2. ELI-Attosecond Facility (исследование быстрых процессов)
Этот отдел проекта расположен в г. Сегед, Венгрия. Круг решаемых в этом отделении задач сосредоточен на исследовании быстрой динамики электронов в атомах, молекулах, твердых телах. Особенностью подобных исследований является изучение процессов с характерными периодами колебаний до 1 аттосекунды (10-18 сек.). Применение для этих целей мощных лазеров.
3. ELI-Nuclear Physics Facility (отдел ядерной физики)
Этот отдел проекта расположен в г. Магуреле, Румыния. Круг решаемых в этом отделении задач сосредоточен на исследовании ядерных процессов в сверхсильном лазерном излучении и создании источников ускоренных заряженных частиц и интенсивного гамма излучения с помощью мощных лазеров.
- 4. ELI-Ultra Hight Field Facility (отдел сверхмощных полей)
Место, в котором будет построен этот отдел проекта, будет определено в 2012 году. В этом отделе планируется создание лазерного комплекса мощностью 200 ПВт. (2х1017 Вт) Эта мощность в 100 000 раз превышает мощность мировой электрической сети. Такая мощность будет достигнута за счет сосредоточения сравнительно небольшой энергии (3 – 4 кДж) в сверхкоротких, длительностью 15х10-15 секунды, лазерных импульсах. Несмотря на столь небольшую энергию, по сравнению с комплексами для лазерного термоядерного синтеза, обладающих в миллионы раз большими энергиями, благодаря сверхкороткой длительности импульсов эта установка превзойдет по пиковой мощности в несколько сот тысяч раз самые мощные, из имеющихся на данный момент лазеров. Благодаря этому этот комплекс позволит выйти в новые для физики области исследований, такие как физика элементарных частиц высоких энергий и ядерной физики при недостижимых ранее условиях, гравитации, нелинейной теории поля. Сверхъяркие пучки протонов и гамма лучей ELI могут способствовать развитию методов лечения раковых заболеваний, смогут оказать существенное влияние на развитие ядерной фармакологии и многое другое.
Международный проект HiPER (High Power laser Energy Research) [4]
Этот проект, прежде всего, направлен на создание первого демонстрационного реактора инерциального термоядерного синтеза. Этот проект находится на подготовительной стадии, завершающейся уже в этом году. В рамках этого проекта планируется создание экспериментального реактора, способного выдавать на выходе энергию, от 10 до 30 раз превышающую энергетические затраты. Основными компонентами этого реактора будут мощный лазерный комплекс для сжатия термоядерного топлива и инициации термоядерной реакции, фабрика термоядерных мишеней, камера для взаимодействия мишеней с лазерным излучением и внешняя оболочка для непрерывного преобразования энергии термоядерной реакции сначала в тепловую, а затем и в электрическую энергию.
Рассмотрим принцип действия такого реактора. На начальной стадии фабрика термоядерных мишеней выстреливает в камеру сгусток термоядерного топлива (водорода, содержащий в себе помимо обычного водорода дейтерий и тритий). Затем с помощью лазерного излучения этот сгусток сжимается до больших плотностей. Для этого в установке предусмотрено примерно 50 каналов для подводки лазерного излучения и обеспечения примерно однородного сжатия мишени со средней мощностью излучения в канале около 100 кВт. Для инициации реакции на сжатую мишень подается мощный мультипетаваттный (мощностью много большей, чем 1018 ватт) лазерный импульс, длительностью 10-12 секунды. После этого в камере на долю секунды загорается маленькое Солнце. И этот процесс повторяется с частотой 5 – 10 Герц.
Отвлекаясь от темы этой статьи, стоит сказать, что реактор подобного типа будет являться самым безопасным способом получения энергии, поскольку любой сбой в его работе может привести только к одному итогу – остановке самого реактора. Ситуация, подобная той, что возникла на печально известной станции Фукусима, тут не возможна принципиально.
Помимо этой глобальной задачи проект HiPER будет решать и множество других исследовательских задач. Перечислю только некоторые из фундаментальных проблем, решение которых ожидается в этом проекте.
- Взаимодействие света с непрозрачным веществом, физика фотоионизации
Исследование взаимодействия мощного светового излучения с непрозрачным веществом позволит подойти ко многим фундаментальным вопросам атомной и ядерной физики и, в итоге, к качественному моделированию процессов, происходящих на Солнце.
- Теплопередача большой мощности в плотных средах
Исследование этих вопросов так же имеет достаточно фундаментальный характер. Все дело в том, что большие тепловые мощности в итоге приводят к разрушению твердых тел и процессы теплопередачи начинают происходить в пограничной зоне твердое тело – плазма. А для таких систем просто не существует адекватных моделей, описывающих ситуацию. Понимание происходящих при этом процессов, создание соответствующих моделей, адекватно описывающих процесс теплопередачи, позволит, например, понять процесс формирования и развития планет.
И это далеко не полный перечень проблем, которые стоят перед этим международным проектом.
Мы обратились только к двум международным проектам, реализуемым сейчас усилиями ученых и инженеров с использованием ресурсов многих стран. Следует сказать, что это направление в физике лазеров развивается и во множестве национальных программ. И Россия тут не исключение. На данный момент в России построены и активно используются два таких проекта. Это комплекс “Фемта - Луч”, Российский федеральный ядерный центр “Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики”. Этот комплекс, являющийся одним из самых мощных в мире, используется для исследований в области физики термоядерного синтеза, исследования экстремального состояния вещества и для лазерного ускорения частиц. И комплекс PEARL, Институт прикладной физики РАН. Этот комплекс активно используется для ускорения электронов, проведения новых разработок в биологии и медицине.
Литература
1. Сапожников М.Н. “Лазерная одиссея Теодора Меймана”, Природа, №5, 2010, с.54.
2. Коржиманов А.В., Гоносков А.А., Хазанов Е.А., Сергеев А.М. “Горизонты петаваттных лазерных комплексов”, УФН, т.181, №1, 2011, с. 9 – 32.
3. http://www.extreme-light-infrastructure.eu/
4. http://www.hiper-laser.org/
Gopman
При цитировании и копировании ссылка на ОКО ПЛАНЕТЫ обязательна.
Рейтинг публикации:
|
