Лазеры петаваттного класса

Физические основы и реализация лазеров петаваттного класса

Лазеры петаваттного (PW) класса представляют собой устройства, способные генерировать пиковые мощности в диапазоне от 10¹⁵ ватт и выше. Однако столь высокая мощность достигается не за счёт увеличения энергии, а за счёт экстремального сокращения длительности импульса — до фемто- или аттосекундного диапазона. Основная энергетика таких систем обычно остаётся в пределах нескольких джоулей, однако кратность сжатия импульса позволяет достичь требуемой пиковой мощности.

Ключевые параметры лазеров петаваттного класса:

Пиковая мощность: > 1 ПВт
Длительность импульса: < 50 фс (в некоторых случаях < 10 фс)
Энергия импульса: от 1 до 100 Дж
Частота повторения: от единичных выстрелов до нескольких герц

Принципиальная схема и усиление методом CPA

Основным техническим решением, сделавшим возможным реализацию лазеров такого класса, является метод усиления с растяжением и последующим сжатием импульса — CPA (Chirped Pulse Amplification). Метод был предложен Жераром Муру и Донной Стрикленд и стал основой для достижения рекордных мощностей в оптике.

Последовательность стадий CPA:

Генерация сверхкороткого импульса в модульном лазерном осцилляторе (обычно на базе Ti:Sapphire).
Спектральное растяжение импульса во времени до диапазона наносекунд — с использованием дисперсионных решёток или волоконных растяжителей.
Усиление растянутого импульса в многоступенчатых усилителях (Ti:Sapphire, Nd:glass, OPCPA и др.).
Обратное сжатие импульса до фемтосекундной шкалы с помощью компрессора, включающего решётки или зеркала с управляемой дисперсией.

Метод CPA предотвращает разрушение оптических компонентов за счёт снижения пиковой интенсивности на стадии усиления, и тем самым делает возможным достижение петаваттных мощностей.

Рабочие среды и материалы

Наиболее распространённой активной средой для генерации и усиления в лазерах петаваттного класса остаётся титан-сапфир (Ti:Al₂O₃). Он обладает широкой спектральной полосой усиления (~650–1100 нм), что делает его идеальным для генерации сверхкоротких импульсов.

Однако Ti:Sapphire требует накачки мощными зелёными лазерами (обычно Nd:YAG или Nd:glass, с преобразованием частоты), что делает систему громоздкой и энергетически затратной. В связи с этим активно развиваются альтернативные технологии:

OPCPA (Optical Parametric CPA): позволяет избежать нагрева активной среды и обеспечивать широкополосное усиление.
Yb:YAG, Yb:CaF₂ и другие иттрий-бариевые среды: перспективны для систем с высокой частотой повторения.
Nd:Glass: используется в лазерах с высокими энергетическими импульсами, но относительно узкой спектральной полосой.

Компрессия импульсов и управление дисперсией

Сжатие импульсов после усиления является критически важной стадией. Любая хроматическая или нелинейная дисперсия, возникающая в процессе прохождения через оптические элементы, должна быть точно компенсирована.

Системы компрессии включают:

Пары дифракционных решёток (Treacy-тип компрессоров)
Пары вогнутых зеркал с управляемой групповой задержкой
Активное управление фазой (AOPDF)

При сжатии импульса до нескольких фемтосекунд даже незначительные искажения фазового фронта приводят к потере пиковой мощности, поэтому вся система требует высокой стабильности и точности юстировки.

Ограничения, нелинейные эффекты и повреждение оптики

Основные ограничения при работе лазеров петаваттного класса связаны с:

Нелинейными оптическими эффектами: самофокусировка, генерация второй гармоники, эффект Керра, модуляционная нестабильность
Разрушением оптики: высокоинтенсивные импульсы способны повредить даже самые качественные диэлектрические покрытия при превышении порогов ~0.1–1 Дж/см²
Тепловыми эффектами: особенно значимы при повышении частоты повторения

Для борьбы с этими эффектами применяются:

Пространственное увеличение пучка (до 20–30 см диаметром)
Использование вакуумных трактов для исключения ионизации воздуха
Высокоотражающие диэлектрические зеркала с высокой устойчивостью к флюенсу

Лазерные системы с петаваттной мощностью

На сегодняшний день реализовано несколько крупных лазерных систем, способных обеспечивать петаваттный уровень мощности. Наиболее известные из них:

Astra-Gemini (Rutherford Appleton Laboratory, Великобритания): Ti:Sapphire, 2 ПВт, 30 фс, 10 Дж.
PHELIX (GSI, Германия): Nd:Glass, до 1 ПВт, используется в физике плазмы и ядерных экспериментах.
ELI (Extreme Light Infrastructure, Европа): проект с мощностью до 10 ПВт и выше; включает установки ELI-Beamlines, ELI-NP и ELI-ALPS.
Apollon (Франция): до 10 ПВт, основан на технологии Ti:Sapphire с гибридными усилителями.

Эти установки позволяют исследовать высокополевую физику, взаимодействие лазера с вакуумом, ускорение частиц в плазме и другие нетривиальные нелинейные процессы.

Прикладные задачи и направления исследований

Петаваттные лазеры открывают уникальные возможности в ряде направлений:

Лазерное ускорение частиц: особенно в области Laser Wakefield Acceleration (LWFA), где электронные пучки ускоряются до ГеВ на длине сантиметров.
Рентгеновская генерация: высокоэнергетические импульсы позволяют генерировать рентгеновское излучение с высокой яркостью и малым временем когерентности.
Физика экстремальных полей: моделирование условий, близких к квантовой электродинамике вакуума, включая спонтанное рождение пар и нелинейные процессы рассеяния.
Лазерное термоядерное зажигание (Inertial Confinement Fusion, ICF): используется в схемах прямого или косвенного облучения мишеней для достижения термоядерного синтеза.

Тенденции развития и перспективы

Будущее лазеров петаваттного класса связано с решением задач:

Повышение частоты повторения до десятков герц при сохранении пиковой мощности
Миниатюризация за счёт перехода к твердотельным и OPCPA-технологиям
Создание систем с экса- и зеттаваттными пиковыми мощностями на базе многоканального CPA

Особое внимание уделяется комбинированию нескольких лазерных каналов с синхронизацией на уровне фазового фронта и управлением интерференцией. Ведутся исследования в области plasma mirror технологий для формирования пучков с экстремальной интенсивностью без повреждения оптики.

Таким образом, лазеры петаваттного класса занимают ключевую позицию на границе современной физики, открывая доступ к новым режимам материи, ускорения и квантовых взаимодействий в экстремальных условиях.