НЕ ДУМАЙ О ФЕМТОСЕКУНДАХ СВЫСОКА

  Я являюсь сотрудником отдела сверхбыстрых процессов, который занимается изучением фемтосекундных лазерных систем. И в этой заметке я хочу немного рассказать о том, что же это такое и зачем оно нужно.

  Чтобы понять в чём уникальность фемтосекундной оптики и лазерных систем, способных генерировать импульсы длительностью в несколько фемтосекунд, необходимо пояснить, во-первых, что такое фемтосекунда, а во-вторых, что собой представляет лазерное излучение.

Что касается «фемтосекунды», то это слово образовано путём сложения приставки «фемто-» и «секунды». «Фемто-» — это одна из приставок, используемых для обозначения малых долей единицы. Аналогично тому, как «милли-» означает одна тысячная, и следовательно, миллиметр — это одна тысячная метра, «фемто-» означает одна квадриллионная (или другими словами одна миллионная от одной миллиардной). Для людей, знакомых с научной нотацией, более понятным будет сказать, что «фемто-» это 10 в степени -15. Таким образом, одна фемтосекунда это 0,000 000 000 000 001 секунды. 

  ***

  Так вот, длина фемтосекундных импульсов может составлять всего один-два микрона — это в десять раз меньше толщины человеческого волоса, и это всего одна-две длины волны лазерного излучения. Именно поэтому фемтосекундные импульсы называют ещё ультракороткими импульсами, а самые короткие из них, содержащие только одну-две длины волны, — предельно короткими.

  То есть фемтосекундные импульсы — это предел оптических технологий. Ничего более короткого с помощью обычных лазеров получить невозможно.

  Естественно, что имея такой инструмент, можно придумать огромное количество приложений, в которых востребованы его уникальные свойства. Одним из самых известных, пожалуй, является так называемая фемтохимия. Пионер этой области Ахмед Зевейл, совсем недавно — летом 2016 года — к сожалению скончавшийся, был даже награждён за свои работы Нобелевской премией по химии 1999 года.

  В нашей группе мы развиваем другое направление фемтосекундной оптики — лазеры сверхвысоких пиковых мощностей. Дело в том, что с момента своего изобретения лазеры всё время двигались в направлении увеличения мощности излучения. И это вполне объяснимо, поскольку лазер — это очень эффективный генератор света. Лазерное излучение легко фокусируется и позволяет достигать высоких концентраций электромагнитной энергии. Но как можно повысить мощность? Самый простой и прямой способ - это увеличивать энергию лазерных импульсов. Но мощность — это не просто энергия, мощность — это количество энергии, потребляемой или излучаемой в единицу времени. Например, мы все знаем, что есть лампочки накаливания мощностью, скажем, 100 Ватт, а есть светодиодные лампочки, которые светят так же, но их мощность, скажем, 10 Ватт. Если лампочка накаливания проработает один час, то она «съест» электроэнергии 100 Ватт-часов. А вот чтобы светодиодная лампочка «съела» столько же, ей придётся работать в 10 раз дольше — то есть 10 часов. В этом и заключается разница между мощностью и энергией.

  Так вот, ясно, что чтобы увеличить мощность лазерного импульса, можно не только увеличивать его энергию, но и уменьшать длительность.

И здесь мы приходим к связи между сверхмощными лазерными системами и ультракороткими лазерными импульсами. В общем случае, можно сказать, что чем мощнее лазерный импульс, тем он короче. И самые мощные импульсы имеют предельно короткую длительность — фемтосекундную.

Центральным и самым дорогим элементом любой сверхмощной фемтосекундной лазерной системы является вот такое огромное дифракционное зеркало. Обратите внимание, насколько чёткую радугу оно даёт.

  Есть такой сверхмощный фемтосекундный лазер и в Институте прикладной физики РАН. Являясьсамым мощным в России и одним из самых мощных в мире, он кроме того основан на уникальной схеме, которая до этого для таких систем никем и никогда не использовалась. Большинство других подобных систем используют в качестве главного элемента кристалл титан-сапфира или так называемое неодимовое стекло. Это специальные вещества, которые позволяют генерировать и усиливать ультракороткие лазерные импульсы. В нашей установке главным элементом является кристалл дигидрофосфата калия, сокращённо называемый KDP или DKDP (это более «продвинутая» версия того же кристалла, в которой атомы водорода заменены на атомы дейтерия). Этот кристалл сам не может генерировать ультракороткие импульсы, однако он может с очень высокой эффективностью передавать энергию одного импульса другому. При этом если первый импульс длинный и потому не очень мощный, а второй короткий, то в результате короткий импульс становится очень мощным — что нам и требуется. Наша лазерная система заработала в полную силу во второй половине 2000-х годов, а сейчас эта схема усиления повсеместно признана одной из наиболее перспективных для лазерных систем следующего поколения и уже используется сразу в нескольких строящихся проектах.

  Зачем нужны сверхмощные фемтосекундные импульсы? Оказалось, что у них довольно много интересных приложений. Когда такой импульс фокусируется на мишень — например, на поверхность тонкой пластинки или в струю газа (струя нужна, поскольку все эксперименты проводятся при глубоком вакууме), то вещество этой мишени практически мгновенно «сгорает» — физики говорят, что оно превращается в плазму. Плазма является исключительно хорошим конвертером энергии лазерного излучения в энергию частиц, из которых состоит вещество. Именно поэтому такие установки способны ускорять электроны и протоны — из которых состоит всё, что нас окружает, — до очень высоких энергий за очень короткое время. Я думаю, все слышали про традиционные ускорители частиц.

  Большой адронный коллайдер - пример такого ускорителя. Традиционные ускорители должны обладать просто колоссальными размерами, чтобы в них можно было ускорить частицы до высоких энергий. Например, Большой адронный коллайдер имеет форму кольца длиной 26 километров! Сверхмощные фемтосекундные лазеры могут ускорить частицы до тех же энергий на расстоянии в несколько сантиметров.

/Фенист/ Полностью здесь