Принципы применения лазеров в физике высоких энергий
Лазеры, используемые в физике высоких энергий, характеризуются крайне высокой пиковой мощностью, малым временем импульса (в пределах фемтосекунд), а также возможностью точной фокусировки на субмикронные области пространства. Ключевыми параметрами таких систем являются:
Лазерная система, способная генерировать столь экстремальные параметры, требует применения технологий усиления чирпированных импульсов (CPA) и оптических параметрических усилителей (OPA).
Метод CPA (Chirped Pulse Amplification) был предложен для обхода физических ограничений, связанных с разрушением усилительных сред. Суть заключается в следующем:
Этот подход позволил перейти от гига- к тера- и далее к петаваттным системам, открыв путь к новым экспериментам в области физики плазмы, ускорительной техники, ядерной физики и астрофизических моделирований.
Фокусировка высокоэнергетического лазерного импульса на мишень (обычно — тонкий слой твёрдого вещества или газа) приводит к мгновенному ионизированию вещества, образуя плотную и горячую плазму. При этом возникают:
Создание таких экстремальных условий в лабораторных условиях позволяет воспроизводить физику процессов, протекающих в сверхновых, нейтронных звёздах и аккреционных дисках.
Одним из центральных направлений применения лазеров в физике высоких энергий является инерциальный термоядерный синтез. В этом подходе топливная мишень из дейтерий-тритиевой смеси подвергается симметричной компрессии посредством мощных лазерных импульсов. Цель — достичь условий, при которых возникает термоядерная реакция:
D + T→4He + n + 17.6 MeV
Физические аспекты процесса:
Крупнейший в мире эксперимент в этом направлении — Национальный комплекс лазерного зажигания (NIF, США) — использует 192 лазера для доставки более 1,8 МДж энергии в течение нескольких наносекунд.
При интенсивностях лазерного излучения выше 1018 Вт/см2 электромагнитное поле становится способным ускорять электроны до релятивистских скоростей на длине волны лазера. Возникают:
Данный режим важен для генерации короткоживущих частиц, моделирования ядерных реакций и даже изучения аналогов гравитационных эффектов в лабораторных условиях.
Традиционные ускорители требуют километров протяженности для разгона частиц до ГэВ–ТэВ энергии. Лазерно-плазменные ускорители используют плазменную волну, возбуждаемую мощным лазером, как среду ускорения. Преимущества:
Перспективное применение — в компактных источниках рентгеновского излучения, протонной терапии, экспериментах в области физики элементарных частиц.
Фокусировка ультракороткого высокоэнергетического лазера на твёрдую мишень сопровождается образованием вторичного излучения, включая:
Это излучение используется:
Лазерные системы с многофотонной ионизацией и генерацией коротковолнового излучения вплотную приблизились к диапазону, где начинается квантовая электродинамика сильных полей.
При интенсивностях порядка 1023–1024 Вт/см2, которые сегодня становятся достижимыми, начинается область сильнополевой КЭД. При этих условиях:
Исследование этих явлений открывает путь к экспериментальному изучению эффектов, ранее доступных лишь в астрофизике (например, процессы в пульсарах и магнитарах).
Среди крупнейших лазерных установок:
Развитие этих установок направлено на достижение режимов инерциального зажигания, релятивистской плазмы, генерации короткоживущих частиц, и моделирования космологических процессов.
Несмотря на успехи, остаются ключевые вызовы:
Тем не менее, прогресс в области лазерной технологии, нелинейной оптики и компьютерного моделирования позволяет уверенно двигаться к практическому использованию лазеров как инструментов для фундаментальной физики, а в перспективе — и для получения чистой термоядерной энергии.