СОЗДАНИЕ СВЕРХМОЩНОГО ЛАЗЕРА PEARL

PEARL – лазерная установка, один импульс лазера из которой в сотни раз превосходит мощность всех электростанций Земли. С помощью этого лазера можно изучать процессы в сверхкритических состояниях (подобные тем, что происходят в ядре Солнца). Новая лазерная система обязательно найдет свое применение в медицине, биологии, физике, материаловедении. Поможет новый лазер и астрофизикам в изучении различных явлений. К примеру, он даст людям понять, какие именно процессы происходят в пульсарах, коричневых карликах и на экзопланетах. Ученые надеются, что новый лазер позволит им приоткрыть многие тайны вселенной.

Фемтосекундный лазерный комплекс PEARL создан в Институте прикладной физики Российской Академии наук (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде в 2006 году. Нижегородские физики нашли для своей установки весьма удачную аббревиатуру PEARL, что в переводе с английского означает «жемчужина» (за этой аббревиатурой скрывается полное название установки – PEtawatt pARametric Laser – петаваттный параметрический лазер). На данный момент PEARL входит в число пяти самых мощных лазеров мира, и поддерживать столь высокий статус будет непросто из-за крайне высокой активности ведущих мировых держав в создании сверхмощных лазеров.
Принципы генерации излучения лазерного комплекса PEARL отличны от традиционных. Обычно лазерное излучение создается в специальных лазерных средах. Их сначала «накачивают» энергией, возбуждая атомы, а затем пропускают через них импульс небольшой мощности. Проходя сквозь среду, импульс индуцирует излучение возбужденных атомов, которое складывается с первоначальным импульсом и многократно усиливает его. Принципиальной проблемой борьбы с предвестником в таких системах является явление спонтанной люминесценции — возбужденные атомы излучают даже в отсутствии внешнего импульса, и поэтому лазерная среда начинает «светить» еще до его прихода, создавая предымпульс.
На установке PEARL для получения сверхмощных импульсов используется другой принцип — оптического параметрического усиления. В этом методе усиление короткого импульса происходит в нелинейно-оптическом кристалле в результате прямого взаимодействия с лазерным импульсом «накачки». Импульс накачки при этом значительно длиннее усиливаемого импульса, и потому обладает невысокой мощностью. Усиливаемый импульс «пробегает» по нему и собирает энергию, приобретая значительно более высокую мощность. В этом методе спонтанное излучение отсутствует, и предвестник получается значительно слабее.
Заинтересованность атомщиков в сверхмощных лазерах объясняется заманчивыми перспективами лазерного термоядерного синтеза – основной альтернативы термоядерному реактору типа токамак. Напомним, что в токамаке дейтерий-тритиевую плазму предполагается удерживать в течение относительно большого промежутка времени (порядка одной секунды). В то же время лазерный термоядерный синтез предполагает существенно меньшие промежутки времени (порядка 10-10 секунды) при существенно больших концентрациях дейтерия и трития.
Пол-петаваттный лазер со стороны задающего фемтосекундного генератора (синий ящик). Установка 2006 года.

Архитектура комплекса PEARL базируется на оригинальной схеме ОРСРА (системы высокой пиковой мощности), позволившей всего в трех кристаллах получить суммарный энергетический коэффициент усиления более 1010. В ИПФ РАН была впервые сформулирована, развита и экспериментально проверена концепция OPCPA. Эта схема признана сегодня во всем мире в качестве наиболее многообещающей для освоения новых рубежей мощности и интенсивности лазерного излучения.

Впервые в мире получены импульсы длительностью менее 15 фемтосекунд (1 фс=10-15с) на установке мощностью более 1 петаватта (1 ПВт=1015 Вт). Рекордное значение – 11 фс для импульса 1,5 ПВт было получено на лазерном комплексе PEARL Института прикладной физики Российской академии наук. Это стало возможным, благодаря уникальному методу дополнительной компрессии – сокращения длительности – лазерных импульсов CafCA (Compression after Compressor Approach). Оптический импульс становится в несколько раз короче исходного, и во столько же раз возрастает его пиковая мощность, поскольку при преобразовании энергия импульса практически не изменяется. Метод основан на уширении спектра оптического излучения при его прохождении через нелинейный элемент. Внесенная нелинейным элементом спектральная зависимость фазы излучения компенсируется при отражении от специального зеркала приводя к укорочению импульса. Получены рекордные значения фактора компрессии импульса – больше 6. При создании оптической схемы использовался эффект самофильтрации мелкомасштабных флуктуаций оптического излучения высокой интенсивности, открытый авторами ранее.
Стоит ожидать повсеместного распространения лазерных систем подобного типа во всевозможных приложениях от медицины до ядерных технологий. Эти системы являются источниками мощного излучения различных диапазонов и высокоэнергичных частиц с уникальными характеристиками. Например, есть проект по созданию сверхъяркого точечного источника рентгена для фазово-контрастной рентгенографии, имеющей большие перспективы в медицине. Мощные источники терагерцового излучения почти наверняка найдут свою нишу.