Достижение высоких мощностей лазерного излучения — это проблема, которая стояла с самого начала, когда в 1960-х годах был изобретен первый лазер. Было понятно, что лазеры — это такие уникальные источники света, которые позволяют получать излучение, невиданной доселе мощности излучения яркости. Это было одно из главных направлений развития лазерной технологии в первые годы, но достаточно быстро эти технологии достигли потолка. Буквально за 10 лет люди достигли некоторого предела. Он был не фундаментального характера, а чисто технологического. Связан он был с тем, что если вы будете увеличивать и увеличивать мощность излучения ваших лазеров, то вы неизбежно придете к тому, что сила вашего излучения будет пробивать те материалы, которые должны эти излучения усиливать. Люди столкнулись с этим где-то к концу 1970-х годов. Казалось, что такой резкий прогресс, быстрый рост мощностей, которых можно достичь с помощью лазерных технологий, остановился.
Эта ситуация продолжалась практически 15 лет, до середины 1980-х годов, до тех пор, пока американский физик французского происхождения Жерар Муру не придумал довольно красивую идею, как обойти это ограничение. Его идея основана на явлении, которое называется дисперсия света. Яркий образ, связанный с этим явлением, наверное, все знают — обложка знаменитого альбома Pink Floyd «Dark side of the Moon», на которой свет входит в стеклянную призму и раскладывается в радугу. Что происходит в таких системах? Из-за дисперсии света скорость световых волн разного цвета, разной длины волны, как говорят ученые, различается. В результате внутри дисперсионных элементов, в частности призмы, они бегут с разной скоростью и как бы разваливаются в пространстве. Пучок или импульс, который был изначально, разбивается, растягивается. Муру догадался, что это можно использовать, чтобы понизить яркость света, сохраняя внутреннюю структуру импульса. Дело в том, что все дисперсионные элементы, в частности призма, обладают замечательным свойством: если вы пропустите свет сквозь них сначала в одну сторону, а потом обратно, то он соберется в первоначальный импульс. Что предложил Муру? Он сказал так: давайте возьмем дисперсионную систему, пропустим через нее импульс света, он растянется, его мощность понизится, поскольку та же энергия будет распределена в большем объеме, мы сможем усилить снова; мы его усиливаем и пропускаем обратно. В результате этот усиленный свет возвращается в первоначальный объем, но поскольку теперь энергии в нем больше, то мощность в нем будет значительно выше, чем была изначальна.
Вот такая простая, казалось бы, идея, в которой единственный ключевой момент заключался в возможности собрать растянутый импульс так, чтобы он собрался хотя бы приблизительно в тот же объем, который он занимал первоначально. Оказалось, что это возможно. Правда, для этого нужно использовать не призмы, которые, конечно, не выдерживают такие мощности излучения, а надо использовать так называемые дифракционные решетки. Это достаточно сложные с точки зрения технологического производства оптические элементы. Тем не менее они известны, доступны и широко используются. Эта технология получила достаточно забавное название, если переводить на русский, по-английски она звучит как chirped pulse amplification, и на русский ее обычно переводят как усиление чирпированных импульсов. Слово chirp на английском обозначает что-то вроде щебета воробья, щебет. Почему? Потому что трель многих мелких птичек представляет собой растянутый импульс, когда сначала идут высокие ноты, потом все более низкие и низкие, а заканчивается низкими. Это очень похоже на то, что представляет собой лазерный импульс после прохождения дисперсионной системы: сначала длинные волны, потом все более и более короткие. По-русски это было бы усиление щебечущих импульсов.
Технология, которую предложил Муру, привела к взрывному росту лазерных систем нового поколения, к увеличению, резкому росту максимально достижимой мощности. Уже к 2000 году мощность импульса, который можно получить, выросла в десятки тысяч раз и достигла уровня одного петаватта, с которым мы сейчас живем. Это просто огромная мощность, ее можно сравнивать с разными вещами. Например, мощность самой большой атомной электростанции, которая была построена в мире, где-то в сто тысяч раз меньше, чем один петаватт. Более того, даже если взять все электростанции мира и посчитать, сколько энергии они производят по всей земле, то это будет все еще примерно в сто раз меньше, чем мощность излучения таких лазерных систем. Единственное, что можно сравнить по мощности с излучением петаваттных лазеров, — это Солнце. Петаватт солнечной энергии падает на площадь пустыни Гоби — такая вот огромная мощность.
Как удается этого достичь? Понятно, что мы не можем все время генерировать такое излучение: нам просто не хватит электроэнергии, да всей энергии Земли не хватит. Это достигается за счет того, что импульсы лазера имеют очень короткую длительность. Характерная длительность лазеров, которые используются в петаваттных лазерах, составляет величину порядка 50 фемтосекунд. Одна фемтосекунда — это 10−15 секунды, это одна квадриллионная секунды. Мы знаем, что свет — это электромагнитная волна, у нее есть определенный период. Величина оптического периода составляет величину порядка трех фемтосекунд. Импульсы, которые мы генерируем, состоят всего из 15–20 оптических периодов, то есть это очень короткие импульсы. На самом деле их энергия, несмотря на очень высокую мощность, невелика. Характерное значение — порядка 10 джоулей, а 10 джоулей — это энергия кирпича, который упал на асфальт с высоты второго этажа.
Как я уже сказал, мощность в один петаватт, которая сейчас является рекордной, была достигнута довольно давно, еще в 2000 году. В течение 17 лет мы фактически не имеем дальнейшего роста. Произошла своеобразная стагнация. С чем это связано? С тем, что простое применение тех технологий, которые были разработаны Жераром Муру, тоже достигло своего технологического предела. Сейчас люди активно ищут способы, как продвинуться дальше. В течение этих 17 лет, с 2000 года, основной упор в развитии технологий шел на то, чтобы сделать петаваттные лазеры как можно более компактными и, соответственно, более дешевыми. В 2000 году петаваттный лазер Нова, который был построен Ливерморской национальной лабораторией США, занимал целое здание, и это был огромный проект, очень дорогой, уникальный. Действующим он просуществовал некоторое время, потом был закрыт. В течение долгого времени никто не достигал этой мощности, а все пытались сделать более компактные системы. Это удалось сделать буквально в последние 5 лет. Сейчас петаватт достигнут на лазерных системах, которые вполне небольшие по размеру. Характерный размер — порядка 100 м² — большой зал.
Сейчас люди на этом не останавливаются, они думают, как идти дальше, в более высокие мощности, в более высокую яркость излучения. Разрабатываются разные подходы: кто-то предлагает взять несколько петаваттных лазеров и сложить их излучение, и это достаточно тупой способ, но технологически он совсем не простой. Есть идея выкинуть все технологии петаваттных лазеров, которые мы разрабатывали, а взять просто волоконные лазеры, дешевые, которые всюду используются для оптоволоконной связи. Возьмем их только не один, два, десять, а сразу миллион (они дешевые, легкодоступные) и этот миллион лазеров сведем в одну точку. По расчетам получается, что мы можем получить мультипетаваттное, многопетаваттное излучение. Это тоже технически непростая задача, но вроде технология создания вакуумных лазеров и управления их излучением сейчас позволяет делать такие вещи. Это весьма активно разрабатывается. Как бы то ни было, понятно, что в ближайшие годы мы пойдем дальше и достигнем уровня 10 и, скорее всего, 100 петаватт. Сейчас более высокие мощности пока только в стадии теоретического проектирования.
