Группа ученых из лаборатории фотохимических процессов ФИАНа совместно с Томским институтом сильноточной электроники СО РАН разработала гибридную лазерную систему, позволяющую получать фемтосекундные импульсы сверхвысокой мощности в видимом диапазоне. Предложенная система позволит решить неразрешенную на сегодняшний день задачу построения объемного изображения живой клетки, а также открывает широкий спектр применения в других областях науки: физике, химии, медицине.

    Разработанная система относится к классу лазерных установок, позволяющих при фокусировании лазерного излучения создавать экстремально сильные электромагнитные поля, в которых вещество приобретает новые свойства, не достижимые другими способами. Получение таких полей стало возможным благодаря развитию новых технологий, позволяющих генерировать ультракороткие световые импульсы длительностью от нескольких единиц до десятков фемтосекунд (1 фс = 10^-15 сек). Ключевым в этих технологиях является предложенный Жераром Муру метод усиления чирпированных (т.е. растянутых во времени) импульсов, суть которого состоит в увеличении длительности исходных фемтосекундных импульсов (в ~10⁴ раз для твердотельных усилителей), после чего они усиливаются до нужной энергии и снова сжимаются до исходной длительности. Благодаря ультракороткой длительности даже при сравнительно скромной энергии в импульсе (несколько десятков джоулей) на выходе таких систем достигаются сверхвысокие мощности излучения порядка 1 ПВт = 10¹⁵ Вт и выше, а также беспрецедентно высокие плотности потока световой энергии - до 10²² Вт/см² при фокусировке этого излучения. Пиковая мощность излучения такого лазера в фемтосекундном импульсе превышает всю электрическую мощность, потребляемую человечеством на земле. Плотность энергии в фокусе лазерного излучения достигает значений, характерных для ядерного взрыва, а напряженность электрического поля на несколько порядков превышает внутриатомную.

    При такой интенсивности взаимодействие лазерного излучения с веществом в любом агрегатном состоянии приводит к образованию плазмы с уникальными свойствами, в которой, в зависимости от условий проведения эксперимента, рождаются пучки электронов, протонов, нейтронов, рентгеновского и гамма излучений, причем в рентгеновском диапазоне можно получать импульсы аттосекундной длительности (1 аттосекунда = 10^-18 сек), которые на три порядка короче возбуждающих импульсов, а также генерировать в плазме лазерное излучение в рентгеновском диапазоне. Напряженность электрического поля в тысячу раз превышает поля в современных ускорителях и электроны на расстояниях менее 1 см приобретают релятивистские скорости направленного движения, близкие к скорости света. При этом приобретаемая электронами энергия сравнима с энергиями, получаемыми на ускорительной технике – синхротронах и линейных ускорителях длиной 100...200 м.

    В создаваемом фемтосекундным излучением экстремальном состоянии вещества, характеризующимся сверхвысокими температурой, давлением, электрическим и  магнитным полями, создаются условия для лабораторного моделирования ядерных и термоядерных реакций, крупномасштабных астрофизических явлений, в том числе процессов, происходящих в недрах космических объектов. Перечисленные явления представляют фундаментальный интерес, поскольку в наблюдаемых экстремальных состояниях вещества неприменимы многие традиционные физические представления. Вместе с тем, эти явления успешно используются для решения широкого круга прикладных задач: рентгеновской, электронной и протонной томографий, получения короткоживущих изотопов для медицины, а в перспективе могут использоваться для протонной терапии онкологических заболеваний и в схемах быстрого поджига инерциального термоядерного синтеза.

    Все существующие в настоящее время сверхмощные лазерные установки фемтосекундной длительности основаны на твердотельных технологиях и работают в ближней инфракрасной области спектра (800 или 910 нм). Вместе с тем, характер взаимодействия с плазмой и ее свойства зависят от длины волны возбуждающего излучения. Поэтому создание лазерных систем сверхвысокой мощности, генерирующих ультракороткие импульсы излучения в других спектральных диапазонах, позволяет не только уточнить наши представления об экстремальных состояниях вещества, но и расширить экспериментальные возможности для наблюдения новых явлений в плазме. Развитый новый, т.н. гибридный подход к построению сверхмощных фемтосекундных систем позволяет получать излучение в видимом диапазоне спектра (475 нм). Он основан на уникальных технологиях, разработанных в ФИАНе и ИСЭ СО РАН.

    Рассказывает Михеев Леонид Дмитриевич, заведующий лабораторией фотохимических процессов ФИАН: «Ключевое отличие нашего подхода от существующих систем сверхвысокой мощности состоит в использовании в конечном усилителе фемтосекундных импульсов газовой активной среды с оптической накачкой. Преимуществом газовой среды является гораздо более низкая оптическая нелинейность по сравнению с твердым телом. Это позволяет на три порядка снизить коэффициент растяжения фемтосекундных импульсов перед их усилением и использовать более простые методы обратного сжатия усиленного импульса в объеме стекла вместо сложных и дорогостоящих компрессоров на основе дифракционных решеток, применяющихся в твердотельных системах».

    На основе развитых технологий в ФИАНе совместно с ООО «Авеста-Проект» и ИСЭ СО РАН, изготовившими соответственно стартовый твердотельный комплекс и газовый усилитель, построен прототип гибридной фемтосекундной системы и на нем получены ответы на ключевые вопросы конструирования таких систем. Результаты исследований были использованы для создания совместными усилиями в ИСЭ СО РАН полномасштабной гибридной системы с проектируемой пиковой мощностью до 100 ТВт (100×10¹² Вт). В настоящее время на стадии физического запуска системы получена мощность 14 ТВт в импульсе длительностью 50 фс. Это значение мощности является рекордным для видимого диапазона и демонстрирует перспективность разрабатываемой гибридной концепции развития фемтосекундных систем сверхвысокой мощности в видимом диапазоне спектра.

    Одно из наиболее важных и впечатляющих следствий уменьшения длины волны лазерного фемтосекундного излучения связано с тем, что под его воздействием лазерная плазма приобретает новые свойства, позволяющие создавать на ее основе рентгеновские лазеры более коротковолнового диапазона по сравнению с теми, которые в настоящее время реализованы в лазерной плазме. В частности, это открывает возможность создать рентгеновский лазер, излучающий в т.н. «окне прозрачности воды» (2,3...4,6 нм), что имело бы беспрецедентно важное значение для развития биологии и медицины.

    Леонид Дмитриевич: «Дело в том, что в указанном диапазоне длин волн углерод, входящий в состав органических соединений (например, белков), поглощает излучение гораздо сильнее, чем вода, которая составляет основу цитоплазмы живой клетки. Это позволяет методами голографии построить с нанометровым разрешением высококонтрастное трехмерное изображение живой клетки и других микробиологических объектов. Поэтому создание источников когерентного излучения в окне прозрачности воды является сейчас одной из наиболее «горячих» проблем и к ней приковано внимание многих научных коллективов. Это позволило бы изучить функционирование белков внутри живой клетки, понять детали их взаимодействия с другими структурами, исследовать структуру вирусов и их изменчивость, играющую фундаментальную роль в эволюции жизни на земле.»

    Вообще говоря, круг научных и прикладных задач, требующих разработки новых источников рентгеновского диапазона, весьма широк и не ограничивается вышеописанной проблемой. Наряду с традиционными задачами, такими как структурный анализ и спектроскопия материалов, постоянно возникают новые области применений в фотохимии, биофизике, ядерной физике, электронике и т.д.

    В заключение необходимо отметить, что реализация гибридного подхода являет собой яркий пример плодотворности объединения усилий и сотрудничества двух научных коллективов, занятых в смежных областях научно-технических исследований, с целью создания новых технологий.

Б. Массалимов, АНИ «ФИАН-информ»