Создан самый мощный лазер в истории США: зачем он нужен

В США разработали лазер с предельной мощностью в 2 ПВт Ученые видят перспективы суперлазера в разных сферах от медицины до астрофизики.
Автор Hi-Tech Mail
ученые в лаборатории
Джон Нис (слева) и инженер по обслуживанию лазерных установок Пол Кэмпбелл (справа) работают в зоне мишени #1, где будет проведен первый эксперимент с использованием лазера мощностью 2 ПВт. В настоящее время ZEUS является самым мощным лазером в США. Автор: Марцин Щепански, Мичиганский инженерный институт.Источник: https://phys.org/

Лазерная установка ZEUS в Мичиганском университете примерно в два раза превысила пиковую мощность любого другого лазера в США, проведя свой первый официальный эксперимент на уровне 2 петаватт (2*1015 Вт). Эта мощность более чем в 100 раз превышает суммарную мощность общемировой электроэнергетики. Однако ее хватает лишь на короткий период действия лазерного импульса — всего на 0,25*10-18 секунды. По мнению Карла Крушельника, директора Центра сверхбыстрой оптики имени Жерара Муру, в котором находится ZEUS, эта веха знаменует собой начало экспериментов, которые выходят на неизведанную территорию высоких технологий.

Исследования в ZEUS найдут применение в медицине, национальной безопасности, материаловедении и астрофизике, а также в исследованиях плазмы и квантовой физике. ZEUS является общедоступным пользовательским центром — исследовательские группы со всей страны и из-за рубежа могут подавать заявки на проведение экспериментов, которые проходят независимый отбор.

Команда ZEUS стремится создавать электронные пучки с энергией, эквивалентной энергии, получаемой на ускорителях элементарных частиц длиной в сотни метров. Это в 5-10 раз превысит энергию любых электронных пучков, ранее создававшихся на установке ZEUS. Как пояснил Анатолий Максимчук, научный сотрудник Мичиганского университета в области электротехники и вычислительной техники, разработчики стремятся достичь более высоких энергий электронов, используя два отдельных лазерных луча — один для формирования направляющего канала, а другой для ускорения прохождения электронов по нему.

ученый с прототипом лазера
Ученый-исследователь из Мичиганского университета Эндрю Маккелви осматривает прототип лазера ZEUSИсточник: https://phys.org/

Частично они надеются добиться этого с помощью новой конструкции мишени. В этом эксперименте они удлинили емкость с гелием, в который попадает лазерный импульс. В результате взаимодействия образуется плазма, которая отрывает электроны от атомов, так что газ превращается в смесь свободных отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов. Электроны ускоряются за лазерным импульсом — подобно тому, как серферы догоняют буксирующий их скоростной катер — явление, называемое ускорением в кильватерном поле.

Свет движется в плазме медленнее, чем в обычной газовой среде, что позволяет электронам догонять его. В менее плотной и более длинной мишени электроны тратят больше времени на ускорение, прежде чем их настигнет лазерный импульс, что позволяет им развивать более высокие скорости.

Эта демонстрация мощи ZEUS открывает путь к знаковому эксперименту, который ожидается позже в этом году, когда ускоренные электроны будут сталкиваться с лазерными импульсами, направленными в противоположную сторону. В движущейся системе отсчета электронов лазерный импульс мощностью 3 ПВт будет казаться в миллион раз мощнее, это будут уже зетаватты. Отсюда полное название ZEUS — «Система ультракоротких лазерных импульсов, эквивалентная зеттаватту» (Zettawatt Equivalent Ultrashort laser pulse System).

Объект ZEUS расположен в помещении, по размерам напоминающем школьный спортивный зал. В одном из углов комнаты лазер генерирует первый инфракрасный импульс. Оптические устройства, называемые дифракционными решетками, растягивают его во времени, так что, когда лазеры накачки направляют энергию на импульс, он не становится настолько интенсивным, чтобы разрывать воздух на части. При максимальном значении активная зона составляет 30 см в поперечнике и около метра в длину.

ученый смотрит на дисплей в лаборатории
Ученый-исследователь из Мичиганского университета Эндрю Маккелви рассматривает систему выравнивания лучей.Источник: https://phys.org/

После четырех циклов лазерной накачки импульс поступает в вакуумные камеры. С помощью другого набора решеток он превращается в 30-сантиметровый диск толщиной всего 8 микрон — примерно в 10 раз тоньше листа бумаги для принтера. Даже при диаметре в 30 см его интенсивность может превратить воздух в плазму. Но затем он фокусируется до ширины в 0,8 микрона, чтобы обеспечить максимальную интенсивность излучения.

Переход на мощность в 2 петаватта был очень осторожным. Собрать элементы, необходимые для безопасной работы системы, оказалось сложнее, чем ожидалось. Самой трудной задачей оказалось изготовление сапфирового стекла, в состав которого добавлены атомы титана. Оно имеет около 18 см в диаметре, это важнейший компонент конечного усилителя системы, который выводит лазерный импульс на полную мощность.

Мощность кристалла, который разработчики собираются получить летом, составит 3 ПВт, а на его производство ушло четыре с половиной года. Титаново-сапфировые кристаллы такого размера в мире можно пересчитать по пальцам. Большинство из них находятся в Китае.

комплекс Мичиганского университета
Мичиганский университетИсточник: https://edmasters.org/

При увеличении мощности предыдущего лазера HERCULES с 300 ТВт до 1 ПВт на ZEUS ученые обратили внимание на потемнение дифракционных решеток. Это вызвало серьезное беспокойство. Следовало определить причину и последствия. Были ли решетки повреждены безвозвратно или просто потемнели от нагара, образовавшегося в результате воздействия мощного луча, разрывающего молекулы, оставшиеся в рабочей зоне из-за несовершенства вакуумайзера. Когда выяснилось, что это нагар, команде инженеров пришлось выяснить, сколько лазерных импульсов можно безопасно генерировать между чистками. Если решетки станут слишком темными, они могут исказить лазерные импульсы таким образом, что это приведет к дальнейшему повреждению оптики на пути прохождения луча.

На данный момент было проведено 11 отдельных экспериментов, в которых приняли участие в общей сложности 58 экспериментаторов из 22 научных учреждений, включая международных исследователей. В течение текущего и следующего года — в перерывах между экспериментами с пользователями — команда ZEUS продолжит модернизацию системы до получения запланированной мощности в 3 ПВт.

Недавно российские ученые представили оптоволоконный квантовый эндоскоп, способный работать внутри кровеносных сосудов и полых органов как микрофонарь и как лазер.