В Институте сильноточной электроники СО РАН (Томск) на гибридной лазерной системе THL-100, не имеющей мировых аналогов, достигнута рекордная для видимой области спектра пиковая мощность 40 триллионов ватт.
Обычно сверхмощные лазерные системы создают на основе твердотельных кристаллов, и они работают в инфракрасной области спектра. Новизна идеи ученых Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и ИСЭ СО РАН состояла в том, чтобы построить лазерный комплекс по гибридной схеме: с твердотельным задающим генератором на кристаллах титан-сапфира и выходным лазером-усилителем с газовой активной средой. По оценкам исследователей такое устройство должно было получиться более простым и существенно менее дорогим в изготовлении. Кроме того, открывалась возможность получать рекордные мощности излучения уже в видимом, а не в инфракрасном диапазоне.
«Уникальным в такой системе является именно выходной лазерный усилитель, — рассказывает заведующий лабораторией газовых лазеров ИСЭ СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Валерий Федорович Лосев. — Для усиления сверхкоротких импульсов излучения используется особый широкополосный лазерный переход C-A эксимерных молекул ксенон-фтор. Накачка активной среды двухступенчатая: сначала сильноточным электронным пучком возбуждается чистый ксенон, а затем получающимся жестким ультрафиолетовым излучением осуществляется фотонакачка рабочей смеси. На выходе системы — голубой свет».
Первый гибридный лазер, на котором были получены мощности излучения в единицы тераватт, был построен и передан в ФИАН в 2008 году. Вскоре была запущена и вторая система — THL-100 (от англ. Terawatt Hybrid Laser). Цифра 100 в названии означала мощность импульсов излучения в тераваттах, которую планировалось получить. Создание обеих систем стало возможным благодаря использованию в качестве источников энергии уникальных наносекундных сильноточных генераторов, разработанных в ИСЭ СО РАН под руководством академика Бориса Михайловича Ковальчука. В первом случае это вакуумный генератор импульсных напряжений, во втором — линейный импульсный трансформатор.
Система THL-100 осталась в ИСЭ СО РАН, и начались исследования. Путь к мощностям излучения в десятки тераватт мощностей оказался далеко не быстрым. Чрезвычайно сложным оказалось прямое усиление фемтосекундных импульсов. Огромные пиковые мощности излучения вызывали распад структуры лазерного пучка, приводили в негодность зеркала и другие оптические элементы. Пришлось при усилении лазерного импульса задействовать цепочку «растяжение—усиление—сжатие». Система оказалась высоко требовательной к качеству излучения задающего генератора. Тем не менее, в 2012 году удалось получить мощность в 14 тераватт — тогда это стало в видимой части спектра мировым рекордом.
Достигнутая в 2019 году мощность 40 тераватт — результат целого ряда усовершенствований. Повышение мощности реализовано за счет увеличения энергии на выходе системы (с 0,7 до 1,2 джоулей) и сокращения длительности импульса излучения с 50 до 30 фемтосекунд. Увеличена однородность пучка, увеличена ширина спектрального контура.
«По-видимому, в пределах нашей исходной концепции мы подошли к пределу возможностей, — отмечает Валерий Лосев. — Дальнейшее повышение мощности излучения может быть связано с использованием более сложных систем компрессии лазерных импульсов на основе больших дифракционных решеток. Мы начали двигаться в этом направлении. Остановиться невозможно: коллеги из США недавно получили более ста тераватт в твердотельной системе — правда, ценой больших энергозатрат. Теперь ответ за нами».
Кроме чисто фундаментальных исследований (например, получение релятивистской плазмы в экстремально интенсивных оптических полях), сверхмощные фемтосекундные лазерные импульсы можно использовать для создания лазерного источника в мягком рентгеновском диапазоне. Такой лазер является нужным инструментом в биологии — для визуализации процессов в живой клетке.
Пресс-служба ТНЦ СО РАН. Фото предоставлено ИСЭ СО РАН
Источник: «Наука в Сибири».
04.02.2020
