Лазерный ускоритель. Лазерно-плазменный ускоритель нового поколения. Лазерно-плазменные и лазерно-вакуумные ускорители

Что и в начале, то есть требуется проводить ускорение в сильносфокусированных полях, в которых существенна продольная составляющая электрического поля , но в таких полях фазовая скорость волны вдоль оси распространения больше скорости света , поэтому электроны быстро отстают от ускоряющего поля. Чтобы компенсировать последний эффект предлагалось проводить ускорение в газе , где относительная диэлектрическая проницаемость выше единицы, и фазовая скорость уменьшается. Однако в этом случае существенным ограничением является то, что уже при интенсивностях излучения порядка 10 14 Вт/см² газ ионизируется , образуя плазму , что приводит к дефокусировке лазерного пучка. Экспериментально таким методом была продемонстрирована модуляция в 3,7 МэВ пучка электронов, имевших энергию 40 МэВ .

Ускорение в плазменной волне

При распространении достаточно интенсивного лазерного импульса в газе происходит его ионизация с образованием неравновесной плазмы, в которой за счёт пондеромоторного воздействия лазерного излучения возможно возбуждения так называемой кильватерной волны - ленгмюровской волны , бегущей вслед импульсу. В этой волне имеются фазы, в которых продольное электрическое поле является ускоряющим для электронов, бегущих вместе с волной. Поскольку фазовая скорость продольной волны равна групповой скорости лазерного импульса в плазме, которая лишь немногим меньше скорости света, релятивистские электроны могут находиться в ускоряющей фазе достаточно длительное время, приобретая значительную энергию. Этот метод ускорения электронов был впервые предложен в 1979 году .

При увеличении интенсивности лазерного импульса увеличивается амплитуда возбуждаемой плазменной волны и, как следствие, увеличивается темп ускорения. При достаточно высоких интенсивностях плазменная волна становится нелинейной и, в конце концов, обрушается. При этом возможно возникновение сильно нелинейного режима распространения лазерного импульса в плазме - так называем пузырьковый (или баббл-) режим, в котором позади лазерного импульса образуется полость, похожая на пузырёк, практически полностью лишённая электронов. В этой полости также имеется продольное электрическое поле, способное эффективно ускорять электроны.

Экспериментально в линейном режиме взаимодействия был получен пучок электронов, ускоренный до энергий порядка 1 ГэВ на трассе длиной 3 см. Для компенсации дифракционной расходимости лазерного импульса в этом случае дополнительно использовался волновод в виде тонкого капилляра . Увеличение мощности лазерного импульса до уровня петаватта позволило повысить энергию электронов до 2 ГэВ . Дальнейшее увеличение энергии электронов было достигнуто за счёт разделения процессов их инжекции в ускоряющую плазменную волну и собственно процесса ускорения. Этим методом в 2011 году были получены электроны с энергией около 0,5 ГэВ , а в 2013 году был превышен уровень 3 ГэВ, причём общая длина ускорительного канала составила всего 1,4 см (4 мм - инжекционный этап, 1 см - ускорительный этап) . В 2014 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли были получены первые экспериментальные результаты по ускорению электронов в капилляре длиной 9 см при помощи лазера BELLA . В этих экспериментах было продемонстрировано ускорение до энергии, превышающей 4 ГэВ, лазерным импульсом мощностью 0,3 ПВт, что стало новым рекордом .

В нелинейном режиме взаимодействия максимально достигнутая энергия составила 1,45 ГэВ на трассе длиной 1,3 см. В эксперименте использовался лазерный импульс мощностью 110 ТВт .

См. также

Напишите отзыв о статье "Лазерное ускорение электронов"

Примечания

R. Joel England et al. Rev. Mod. Phys. DOI :10.1103/RevModPhys.86.1337 .
E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall (англ.) // Phys. Rev. E . - 1995. - Vol. 52 . - P. 5443 .
T. Tajima, J. M. Dawson (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 1979. - Vol. 43 . - P. 267 .
W. P. Leemans et al. (англ.) // Nature Physics . - 2006. - Vol. 2 . - P. 696-699 .
Xiaoming Wang et al. (англ.) // Nature Communications . - 2013. - Vol. 4 . - P. 1988 .
B. B. Pollock et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2011. - Vol. 107 . - P. 045001 .
Hyung Taek Kim et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2013. - Vol. 111 . - P. 165002 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.111.165002 . - arXiv :1307.4159 .
W. P. Leemans et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2014. - Vol. 113 . - P. 245002 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.113.245002 .
C. E. Clayton et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2010. - Vol. 105 . - P. 105003 .

Литература

Научная

E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans (англ.) // Rev. Mod. Phys. . - 2009. - Vol. 81 . - P. 1229-1284 .
K. Krushelnick, V. Malka (англ.) // Laser & Photon Rev. . - 2009. - Vol. 4 . - P. 42-52 .
А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов , А. М. Сергеев // УФН . - 2011. - Т. 181 . - С. 9-32 .
V. Malka Laser plasma accelerators (англ.) // Phys. Plasmas . - 2012. - Vol. 19 . - P. 055501 . - DOI :10.1063/1.3695389 .
S. M. Hooker Developments in laser-driven plasma accelerators (англ.) // Nature Photonics . - 2013. - Vol. 7 . - P. 775–782 . - DOI :10.1038/nphoton.2013.234 .
R. Joel England et al. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . - 2014. - Vol. 86. - P. 1337. - DOI :10.1103/RevModPhys.86.1337 .
И. Ю. Костюков, A. M. Пухов (рус.) // УФН . - 2015. - Т. 185 . - С. 89 . - DOI :10.3367/UFNr.0185.201501g.0089 .

Научно-популярная

Л. М. Горбунов // Природа . - 2007. - № 4 .
В. Ю. Быченков // Наука и жизнь . - 2010. - № 12 .

Отрывок, характеризующий Лазерное ускорение электронов

Приехав в Петербург, Пьер никого не известил о своем приезде, никуда не выезжал, и стал целые дни проводить за чтением Фомы Кемпийского, книги, которая неизвестно кем была доставлена ему. Одно и всё одно понимал Пьер, читая эту книгу; он понимал неизведанное еще им наслаждение верить в возможность достижения совершенства и в возможность братской и деятельной любви между людьми, открытую ему Осипом Алексеевичем. Через неделю после его приезда молодой польский граф Вилларский, которого Пьер поверхностно знал по петербургскому свету, вошел вечером в его комнату с тем официальным и торжественным видом, с которым входил к нему секундант Долохова и, затворив за собой дверь и убедившись, что в комнате никого кроме Пьера не было, обратился к нему:
– Я приехал к вам с поручением и предложением, граф, – сказал он ему, не садясь. – Особа, очень высоко поставленная в нашем братстве, ходатайствовала о том, чтобы вы были приняты в братство ранее срока, и предложила мне быть вашим поручителем. Я за священный долг почитаю исполнение воли этого лица. Желаете ли вы вступить за моим поручительством в братство свободных каменьщиков?
Холодный и строгий тон человека, которого Пьер видел почти всегда на балах с любезною улыбкою, в обществе самых блестящих женщин, поразил Пьера.
– Да, я желаю, – сказал Пьер.
Вилларский наклонил голову. – Еще один вопрос, граф, сказал он, на который я вас не как будущего масона, но как честного человека (galant homme) прошу со всею искренностью отвечать мне: отреклись ли вы от своих прежних убеждений, верите ли вы в Бога?
Пьер задумался. – Да… да, я верю в Бога, – сказал он.
– В таком случае… – начал Вилларский, но Пьер перебил его. – Да, я верю в Бога, – сказал он еще раз.
– В таком случае мы можем ехать, – сказал Вилларский. – Карета моя к вашим услугам.
Всю дорогу Вилларский молчал. На вопросы Пьера, что ему нужно делать и как отвечать, Вилларский сказал только, что братья, более его достойные, испытают его, и что Пьеру больше ничего не нужно, как говорить правду.
Въехав в ворота большого дома, где было помещение ложи, и пройдя по темной лестнице, они вошли в освещенную, небольшую прихожую, где без помощи прислуги, сняли шубы. Из передней они прошли в другую комнату. Какой то человек в странном одеянии показался у двери. Вилларский, выйдя к нему навстречу, что то тихо сказал ему по французски и подошел к небольшому шкафу, в котором Пьер заметил невиданные им одеяния. Взяв из шкафа платок, Вилларский наложил его на глаза Пьеру и завязал узлом сзади, больно захватив в узел его волоса. Потом он пригнул его к себе, поцеловал и, взяв за руку, повел куда то. Пьеру было больно от притянутых узлом волос, он морщился от боли и улыбался от стыда чего то. Огромная фигура его с опущенными руками, с сморщенной и улыбающейся физиономией, неверными робкими шагами подвигалась за Вилларским.
Проведя его шагов десять, Вилларский остановился.
– Что бы ни случилось с вами, – сказал он, – вы должны с мужеством переносить всё, ежели вы твердо решились вступить в наше братство. (Пьер утвердительно отвечал наклонением головы.) Когда вы услышите стук в двери, вы развяжете себе глаза, – прибавил Вилларский; – желаю вам мужества и успеха. И, пожав руку Пьеру, Вилларский вышел.
Оставшись один, Пьер продолжал всё так же улыбаться. Раза два он пожимал плечами, подносил руку к платку, как бы желая снять его, и опять опускал ее. Пять минут, которые он пробыл с связанными глазами, показались ему часом. Руки его отекли, ноги подкашивались; ему казалось, что он устал. Он испытывал самые сложные и разнообразные чувства. Ему было и страшно того, что с ним случится, и еще более страшно того, как бы ему не выказать страха. Ему было любопытно узнать, что будет с ним, что откроется ему; но более всего ему было радостно, что наступила минута, когда он наконец вступит на тот путь обновления и деятельно добродетельной жизни, о котором он мечтал со времени своей встречи с Осипом Алексеевичем. В дверь послышались сильные удары. Пьер снял повязку и оглянулся вокруг себя. В комнате было черно – темно: только в одном месте горела лампада, в чем то белом. Пьер подошел ближе и увидал, что лампада стояла на черном столе, на котором лежала одна раскрытая книга. Книга была Евангелие; то белое, в чем горела лампада, был человечий череп с своими дырами и зубами. Прочтя первые слова Евангелия: «Вначале бе слово и слово бе к Богу», Пьер обошел стол и увидал большой, наполненный чем то и открытый ящик. Это был гроб с костями. Его нисколько не удивило то, что он увидал. Надеясь вступить в совершенно новую жизнь, совершенно отличную от прежней, он ожидал всего необыкновенного, еще более необыкновенного чем то, что он видел. Череп, гроб, Евангелие – ему казалось, что он ожидал всего этого, ожидал еще большего. Стараясь вызвать в себе чувство умиленья, он смотрел вокруг себя. – «Бог, смерть, любовь, братство людей», – говорил он себе, связывая с этими словами смутные, но радостные представления чего то. Дверь отворилась, и кто то вошел.
При слабом свете, к которому однако уже успел Пьер приглядеться, вошел невысокий человек. Видимо с света войдя в темноту, человек этот остановился; потом осторожными шагами он подвинулся к столу и положил на него небольшие, закрытые кожаными перчатками, руки.
Невысокий человек этот был одет в белый, кожаный фартук, прикрывавший его грудь и часть ног, на шее было надето что то вроде ожерелья, и из за ожерелья выступал высокий, белый жабо, окаймлявший его продолговатое лицо, освещенное снизу.
– Для чего вы пришли сюда? – спросил вошедший, по шороху, сделанному Пьером, обращаясь в его сторону. – Для чего вы, неверующий в истины света и не видящий света, для чего вы пришли сюда, чего хотите вы от нас? Премудрости, добродетели, просвещения?
В ту минуту как дверь отворилась и вошел неизвестный человек, Пьер испытал чувство страха и благоговения, подобное тому, которое он в детстве испытывал на исповеди: он почувствовал себя с глазу на глаз с совершенно чужим по условиям жизни и с близким, по братству людей, человеком. Пьер с захватывающим дыханье биением сердца подвинулся к ритору (так назывался в масонстве брат, приготовляющий ищущего к вступлению в братство). Пьер, подойдя ближе, узнал в риторе знакомого человека, Смольянинова, но ему оскорбительно было думать, что вошедший был знакомый человек: вошедший был только брат и добродетельный наставник. Пьер долго не мог выговорить слова, так что ритор должен был повторить свой вопрос.
– Да, я… я… хочу обновления, – с трудом выговорил Пьер.
– Хорошо, – сказал Смольянинов, и тотчас же продолжал: – Имеете ли вы понятие о средствах, которыми наш святой орден поможет вам в достижении вашей цели?… – сказал ритор спокойно и быстро.
– Я… надеюсь… руководства… помощи… в обновлении, – сказал Пьер с дрожанием голоса и с затруднением в речи, происходящим и от волнения, и от непривычки говорить по русски об отвлеченных предметах.
– Какое понятие вы имеете о франк масонстве?
– Я подразумеваю, что франк масонство есть fraterienité [братство]; и равенство людей с добродетельными целями, – сказал Пьер, стыдясь по мере того, как он говорил, несоответственности своих слов с торжественностью минуты. Я подразумеваю…
– Хорошо, – сказал ритор поспешно, видимо вполне удовлетворенный этим ответом. – Искали ли вы средств к достижению своей цели в религии?
– Нет, я считал ее несправедливою, и не следовал ей, – сказал Пьер так тихо, что ритор не расслышал его и спросил, что он говорит. – Я был атеистом, – отвечал Пьер.

Сразу две публикации сообщают о первой экспериментальной реализации новой методики ускорения заряженных частиц - лазерного ускорения над диэлектрическими структурами. Она подкупает не только сильным ускоряющим полем, но и своей дешевизной, полностью оптической конструкцией, компактностью и простотой масштабирования. Практическая реализация такого «ускорителя-на-чипе» позволит резко снизить стоимость и повысить доступность ускорителей для прикладных исследований.

Трудности ускорительной физики

Ускорители элементарных частиц нужны не только физикам, но и обычных людям. Из десятков тысяч ускорителей, которые сейчас существуют в мире, лишь около сотни работают по прямому назначению, для изучения микромира. Все остальные используются для решения прикладных задач в биологии, в материаловедении, в медицине и даже, как это ни странно, для изучения истории Древнего мира (вот лишь один пример). Краткое перечисление этих применений можно найти, например, в брошюре Accelerators and Beams, Tools for discovery and innovation (PDF, 7 Мб).

Главная задача ускорителя - ускорять электроны, протоны и другие частицы до нужных энергий. Конечно, энергия - это не единственная характеристика пучка частиц; обычно еще требуется, чтобы он был узким, интенсивным, хорошо сфокусированным, монохроматичным, с хорошим продольным профилем и т. д. Но первостепенной задачей является именно ускорение. Ускоряют заряженные частицы с помощью продольного электрического поля, и чем сильнее поле, тем более эффективным является ускорение. Пересчет поля в энергии тут элементарный. Если у вас внутри установки создано электрическое поле напряженностью 1 мегавольт на метр (МВ/м), то ускоряющий градиент составляет тот же 1 МэВ/м, то есть на каждом метре пути энергия электрона или протона увеличивается на 1 мегаэлектронвольт (МэВ). Если вы хотите ускорить электрон до энергии 100 ГэВ, будьте добры обеспечить 100-километровый участок с таким градиентом, либо придумайте, как его увеличить.

Ускоряющего поля напряженностью в мегавольты и даже десятки мегавольт на метр современная технология еще позволяет достичь. Обычно внутри специально изготовленной сверхпроводящей камеры сложной формы возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, которая подталкивает пролетающие сквозь нее частицы (проверить свои навыки ускорения частиц можно во флэш-игре LHC Game). Однако градиент больше нескольких десятков МэВ/м в таких камерах получить не удается - металл просто не выдерживает слишком сильного поля, происходит пробой камеры. Именно поэтому линейный электрон-позитронный коллайдер на энергию порядка 1 ТэВ будет длинным, несколько десятков километров, и, как следствие, довольно дорогим.

Другой вариант - сделать ускоритель не линейным, а циклическим, то есть кольцевым (см. устройство типичного ускорителя на интерактивном плакате). Частицы в нем постоянно циркулируют внутри кольцевой трубы, а не проходят всю дистанцию только один раз. Тогда ускорительную секцию можно поставить скромную, зато энергию можно увеличивать, казалось бы, без ограничений - ведь частицы будут пролетать ее миллионы раз в секунду. К сожалению, тут есть другая проблема. Частицы со слишком большой энергией трудно удерживать на кольцевой траектории. На линейном участке - пожалуйста, но как только частице нужно поворачивать, к ней надо прикладывать силу. А это достигается опять-таки за счет внешнего поля - на этот раз магнитного поля внутри поворотного магнита . Поскольку оно ограничено, приходится частицы поворачивать постепенно , то есть увеличивать радиус поворота. Поэтому кольцевые ускорители на большие энергии, например Большой адронный коллайдер, тоже получаются огромными.

В случае циклических ускорителей электронов возникает еще дополнительная проблема: электроны при повороте излучают электромагнитные волны и теряют энергию. Поэтому ускорительная секция должна, прежде всего, компенсировать потери энергии на каждом обороте, а уж потом увеличивать энергию. И когда на одно лишь поддержание энергии требуется тратить сотни мегаватт (!), дальнейшее ее повышение становится просто нерентабельным. А для линейной траектории таких проблем нет.

Получается, в обоих типах ускорителя есть естественное ограничение на энергию частиц, и возникает оно потому, что мы до сих пор не умеем создавать и держать достаточно сильные электрические и магнитные поля. Никакие обычные, отлаженные сейчас ускорительные технологии не могут справиться с этой проблемой.

К счастью, для подавляющего большинства прикладных ускорителей это не проблема. Энергии там требуются небольшие, порядка сотен МэВ, их вполне можно получить и на установке размером несколько метров. Но остаются другие технические проблемы, начиная от высокотехнологического процесса изготовления ускорительных секций и заканчивая сложной инфраструктурой и большим энергопотреблением. Да и компактными такие ускорители не назовешь: под них в любом случае приходится выделять целое здание. О настольном, а тем более портативном ускорителе можно только мечтать.

Попытки разорвать заколдованный круг

Единственный способ резко уменьшить размеры ускорителей и удешевить их производство - найти новую технологию ускорения частиц , которая позволила бы увеличить ускоряющий градиент хотя бы до сотен МэВ/м. И надежды на это есть. Дело в том, что в принципе поле напряженностью в многие гигавольты на метр получить несложно; главная трудность - как его удерживать , ведь такое поле вызовет пробой металлических стенок.

Хорошо известны два способа, как эту трудность обойти: это лазерные и лазерно-плазменные ускорители . Эти технологии уже давно на слуху, см. видео-рассказ , лекцию с многочисленными анимациями, подборку популярных материалов о ней, а также , новость , и задачу на «Элементах». В лазерных ускорителях металлическая фольга облучается сверхмощным лазерным импульсом (пиковая мощность порядка петаватт), который буквально «выдувает» электроны из фольги . В лазерно-плазменной технологии используют не металлические структуры, а ячейки с плазмой; если плазму вывести из состояния равновесия, в ней могут возникать поля аж в сотни гигавольт на метр. Конечно, плазма не будет такое поле держать, но это и не нужно. Достаточно создать его внутри пузырька, который будет лететь вместе со сгустком частиц и ускорять его на всей длине плазменной камеры. Эта технология - давно не фантазия, она уже была успешно продемонстрирована в эксперименте. Уже были достигнуты градиенты в десятки ГэВ/м, то есть в тысячу (!) раз больше, чем с помощью традиционных технологий, правда, на очень коротком участке, длиной в считанные миллиметры.

У этих многообещающих технологий есть, впрочем, и недостатки. Первый - проблемы с масштабируемостью. О лазерных ускорителях вообще нечего говорить: там ускорение получается только однократным при прожигании одного листочка фольги. В лазерно-плазменных огромные поля продемонстрированы пока внутри маленькой камеры размером не более нескольких сантиметров. Для ускорения на большие энергии требуется состыковать множество таких камер друг с другом и синхронизовать образование плазменного пузырька во всех них. Вот эта задача пока остается нерешенной, хотя первые эксперименты по стыковке двух камер уже проведены.

Другая очевидная проблема - поведение пучка ускоряемых частиц. Ведь пучку приходится не только лететь сквозь саму плазму, но и постоянно проходить через стенки камер. Совместимо ли это с требуемыми параметрами пучков и их интенсивностью - вопрос сложный; в любом случае, приходится ломать голову над тем, как бы не испортить пучок ускорением.

И наконец, остается проблема со стоимостью. Даже если удастся создать, скажем, компактный протонный лазерный ускоритель для выжигания раковых опухолей, он всё равно будет использовать сверхмощный лазер, а это очень дорогая установка.

Впрочем, к чести лазерно-плазменных ускорителей надо сказать, что их потенциал далеко не исчерпан. Несколько месяцев назад была описана схема и проведено численное моделирование электронного ускорения в периодической плазменной структуре. Ускоряющие градиенты там получаются совсем заоблачные, много ТэВ/м. Если это удастся реализовать, то хиггсовские бозоны можно будет рождать в настольном ускорителе. Однако от идеи до экспериментальной реализации путь длинный, поэтому эти предложения лежат пока, скорее, в сфере желаемого, чем действительного.

Новая технология ускорения

В сложившейся ситуации с традиционными и лазерно-плазменными ускорителями кажется очень привлекательной еще одна методика - диэлектрический лазерный ускоритель . Не обещая огромных ускоряющих градиентов, эта схема подкупает своей простотой, масштабируемостью, компактностью и дешевизной. Она была предложена не так давно, и до сих пор всё ограничивалось только теоретическими исследованиями этого типа ускорителей. Но сейчас ситуация изменилась: на днях в журналах Nature и Physical Review Letters одновременно вышли две статьи, в которых сообщается о первой успешной реализации этого метода. Ускорение электронов, достигнутое в этих работах, пока что совершенно ничтожно, но за высокой эффективностью тут никто и не гнался - эти опыты лишь успешно доказали, что метод работает. Уже сейчас видно, как без труда улучшить все показатели пучков.

Обрисуем вкратце суть диэлектрического лазерного ускорения на примере статьи в Phys. Rev. Lett. В крошечном образце прозрачного диэлектрика (например, кварцевого стекла) вытравливаются длинные параллельные бороздки с периодом в долю микрона (рис. 2). Получается фазовая дифракционная решетка, но с очень маленьким периодом. Снизу сквозь стекло пропускают лазерный луч с длиной волны чуть больше, чем период решетки. А прямо над этой структурой, параллельно поверхности стекла, пролетает компактный электронный сгусток. Он чувствует только лазерный луч - направленный, заметьте, перпендикулярно движению электронов! - но именно этот лазерный свет его ускоряет (рис. 1).

За счет чего происходит здесь ускорение? Свет с линейной поляризацией, перпендикулярной бороздкам, наводит на них поляризацию. Поэтому в вакууме непосредственно над поверхностью существует колеблющееся периодическое электрическое поле (рис. 3). Если период структуры слишком маленький, то это поле держится около поверхности, словно некий «виртуальный» свет, и не может улететь вверх. Это так называемое ближнее световое поле , или эванесцентная волна (см. задачу на похожую тему). Его можно представить как набор электромагнитных волн, которые бегут вдоль поверхности стекла, но перпендикулярно бороздкам; это движение и показано на рис. 3 в виде последовательных «кадров» состояния поля. Скорость этих волн легко настраивается подбором длины волны света. Теперь важный момент - электрическое поле в этой волне тоже направлено вдоль поверхности, параллельно направлению движения волны. Возникают идеальные условия для ускорения частиц: если электронный сгусток движется с той же скоростью, что и волна, то она его просто подхватывает и несет вперед, попутно разгоняя своим электрическим полем.

Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы?

Л.М. Горбунов
Леонид Михайлович Горбунов, д.ф.-м.н., проф., гл.научн.сотр. Физического института им.П.Н.Лебедева РАН.

В последние годы созданы лазеры, генерирующие сверхмощные ультракороткие световые импульсы. Во многих странах широким фронтом ведутся исследования распространения таких импульсов и их взаимодействия с веществом. Обнаружены новые физические явления, анализируются возможности использования этих импульсов в разнообразных областях, начиная от ядерной физики и астрофизики и кончая медициной.

В предлагаемой статье читатель сможет познакомиться с новой областью физики, у которой еще нет устоявшегося названия. В публикациях по этой тематике используются различные термины: “сверхсильные лазерные поля”, “ультрамощные лазерные импульсы”, “оптика в релятивистском режиме” и др. Начнем с того, что постараемся разобраться в смысле данных слов.

Что такое “сверхсильные электромагнитные поля”

Лазерные импульсы, о которых ниже будет идти речь, имеют длительность менее 1 пикосекунды (т.е. менее 10 -12 с). Их длина в пространстве составляет менее 300 мкм, что меньше трети миллиметра. Поэтому для характеристики таких импульсов часто используют термин “ультракороткие импульсы”. Длина волны излучения составляет обычно около 1 мкм, и оно относится к инфракрасному диапазону. На длине импульса укладываются десятки - сотни длин волн.

Энергия, которую несет такой импульс, может доходить до сотен джоулей, а мощность - до 10 15 Вт. Эту величину принято называть “петаватт”. Она намного превышает суммарную мощность всех электростанций мира. Поэтому такие импульсы часто называют сверхмощными.

Если такой импульс сфокусировать на площадку с радиусом 10 мкм, то интенсивность излучения (мощность, деленная на площадь площадки) достигнет 3Ч 10 20 Вт/см 2 , а напряженность электрического поля при этом будет порядка 10 12 В/см.

Чтобы понять, насколько велико это поле, сравним его с теми полями, которые существуют внутри атомов. Простейший атом - атом водорода; в нем единственный электрон движется около ядра, в данном случае просто протона. Напряженность электрического поля, благодаря которому эти две частицы удерживаются друг около друга, образуя атом, составляет около 5Ч 10 9 В/см. Для сравнения: пробой такого хорошего изолятора, как слюда, происходит при 2Ч 10 6 В/см.

Таким образом, даже внутриатомные поля, традиционно считавшиеся большими по сравнению с теми, что встречаются в повседневной жизни, оказываются малыми по сравнению с полями, которые возникают при фокусировке ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов. Именно по отношению к таким полям принято использовать термин “сверхсильные”.

Устоявшееся в течение долгого времени представление о том, что внешние поля слабо влияют на атомные системы и могут учитываться как малое возмущение, теряет смысл. Перед наукой возникла реальная проблема развития новых представлений о воздействии таких сверхсильных электромагнитных полей на вещество.

Еще один термин, которым пользуются применительно к таким полям, связан с движением в них одного электрона. Общепринято считать, что в поле линейно поляризованной электромагнитной волны электрон совершает колебательное движение со скоростью, малой по сравнению со скоростью света. По мере того как амплитуда волны увеличивается, возрастает и скорость осцилляций электрона. Для волны с длиной 1 мкм, характерной для таких лазеров, скорость осцилляций электрона становится близкой к скорости света при напряженности поля ~10 11 В/см, что соответствует интенсивности ~2Ч 10 18 Вт/cм 2 . Поэтому распространение света с более высокими интенсивностями требует при рассмотрении движения электронов учета релятивистских эффектов - так родился термин “оптика в релятивистском режиме” (именно под таким названием недавно был опубликован большой обзор ).

СРА-лазеры

Генерация таких мощных коротких световых импульсов стала возможной после создания в 1985 г. американскими учеными лазеров специального типа , получивших теперь название СРА-лазеров. Эти буквы - аббревиатура от английских слов “chirp pulse amplification”, которые можно перевести как “усиление импульса с плавно изменяющейся частотой”. В данных словах заложен принцип работы лазеров. СРА-лазер состоит из четырех блоков: генератор, растяжитель, усилитель и компрессор. Схематически это показано на рис.1.

Рис.1. Принцип работы СРА-лазера. Короткий слабый лазерный импульс из генератора поступает в растяжитель, где его длина возрастает в тысячи раз, а частота излучения плавно изменяется по длине импульса (так называемый чирпированный импульс). Затем импульс проходит через усилитель, увеличивающий его энергию на много порядков. Из усилителя импульс попадает в компрессор, где длительность его уменьшается до начального значения.

Генератор - это обычный импульсный лазер, который создает ультракороткие импульсы малой мощности. Обычно длительность таких импульсов составляет десятки-сотни фемтосекунд. Что касается энергии, которая содержится в импульсе, то она может быть относительно малой, на уровне 10 -6 Дж.

Из генератора такой короткий и слабый импульс поступает в устройство, которое называется “растяжитель”, где он растягивается в тысячи раз. Здесь как раз и закладывается та ключевая особенность лазерного импульса, на которой основана работа СРА-лазеров. Импульс растягивается таким образом, чтобы частота излучения плавно изменялась по его длине. Наглядно это можно представить как гармошку, у которой расстояние между выступами и впадинами изменяется плавно по длине. Импульс с таким распределением частоты излучения называется чирпированным от английского слова “chirp”, которое означает чирикание или щебетание. Изменение длины волны излучения от начала импульса к его концу обычно не столь уж велико и составляет доли процента.

Такой растянутый импульс поступает в усилитель - активную среду, атомы которой находятся в возбужденном состоянии. Проходя через эту среду, импульс переводит их в нормальное, невозбужденное состояние и собирает энергию атомов. В результате энергия импульса возрастает во много раз, хотя плотность энергии (энергия в единице объема) остается достаточно низкой за счет большой длины импульса. Непосредственное усиление короткого импульса привело бы к очень высокой плотности энергии и в результате как к большим искажениям самого импульса, так и к повреждению усилителя.

После этого длинный, чирпированный импульс, обладающий большой энергией, поступает в устройство, которое называется компрессор. Задача последнего состоит в том, чтобы снова сжать импульс до его первоначальной длины. Достигается это за счет эффекта, обратного тому, благодаря которому импульс был растянут.

Теперь остановимся коротко на том, как устроены растяжитель и компрессор.

Рис.2. Устройство растяжителя и компрессора. Различные частотные компоненты, образующие лазерный импульс, отражаются от дифракционной решетки под разными углами. При последующем отражении от второй дифракционной решетки, ориентированной определенным образом относительно первой, импульс либо растягивается (верхний рисунок), либо сжимается (нижний рисунок).

Как для растяжения, так и для сжатия импульса используются устройства, состоящие из двух дифракционных решеток (рис.2). Каждая из решеток представляет из себя стеклянную пластину, покрытую тонким слоем определенного материала, в котором процарапаны тонкие параллельные линии. Ширина линий, а также расстояние между ними составляет порядка 1 мкм. Свет, падающий под углом на такую пластинку, отражается от нее, причем угол отражения зависит от частоты падающего света. Короткий лазерный импульс содержит свет с различными частотами, которые от пластинки отражаются под разными углами. Если отраженный свет направить на другую дифракционную пластинку, ориентированную по отношению к первой определенным образом, то можно добиться того, что путь, проходимый волнами с разной частотой, будет различен. В результате после отражения от второй дифракционной решетки волны с разными частотами придут в одно и тоже место с различной задержкой по времени. При одной ориентации дифракционных решеток друг относительно друга можно таким путем растянуть импульс и из короткого импульса сделать чирпированный длинный импульс, а при другой ориентации - из длинного чирпированного импульса сделать снова короткий.

В настоящее время в мире, видимо, работает около сотни СРА-лазеров. С их помощью исследуются различные физические эффекты, многие из которых уже находят практическое применение. Ниже мы остановимся на некоторых применениях СРА-лазеров.

Лазерное ускорение электронов…

Идея использования лазеров для ускорения электронов в плазме была выдвинута в 1979 г. американскими учеными . Применительно к коротким лазерным импульсам первые аналитические исследования были опубликованы в 1987 г. и в 1988 г. . По сути, лазерное ускорение электронов в плазме очень близко к так называемому коллективному методу ускорению электронов, который разрабатывался в течение многих лет в Харьковском физико-техническом институте под руководством Я.Б.Файнберга. О тех проблемах, с которыми сталкивается традиционная вакуумная ускорительная техника, и о коллективных методах ускорения в плазме можно прочитать в статье, опубликованной в журнале “Природа” ранее .

Рис.3. Распространение короткого лазерного импульса в плазме и возбуждение кильватерных волн. Пунктиром показаны линии пониженной электронной плотности, сплошной - линии повышенной электронной плотности. Стрелка показывает направление распространения лазерного импульса.

Применительно к коротким лазерным импульсам ускорение электронов в плазме можно схематически представить следующим образом. Распространяясь в плазме, импульс выталкивает электроны из той области, где он в данный момент находится (рис.3). Кроме сил со стороны импульса, на электроны действует электрическое поле со стороны ионов плазмы, которые можно считать неподвижными из-за их большей массы. После того, как импульс покинул данную область, на электроны действует только поле разделения зарядов, стремящееся вернуть электроны в их исходное положение. Разогнавшись в этом поле, электроны проскакивают свое начальное положение и начинают колебаться относительно ионов на так называемой плазменной частоте. Поскольку импульс бежит по плазме и все время выталкивает те электроны, которые встречаются на его пути, он все время позади за собой запускает плазменные колебания. При этом начальная фаза этих колебаний различна в разных точках на пути импульса. В результате возбуждается волна разделения зарядов, фаза которой распространяется по плазме со скоростью импульса (так называемая кильватерная волна, рис.4). Электрическое поле этой волны в одной половине периода направлено по направлению распространения импульса, а в другой половине периода - навстречу направлению распространения импульса. Если электрон с начальной скоростью, равной скорости импульса, поместить в ту область плазменной волны, где действующая на него со стороны электрического поля сила направлена по направлению его движения, то электрон, двигаясь вместе с волной, начнет ускоряться. Такой ускоритель получил название “ускоритель на кильватерной волне”. Для релятивистских частиц, скорость которых близка к скорости света, даже маленькое увеличение скорости отвечает большому возрастанию их энергии. В результате ускорения энергия электрона может значительно увеличиться.

Рис.4. Возмущение плотности электронов в кильватерной волне, возбуждаемой лазерным импульсом с длительностью 30 фс и мощностью ~30 ТВт в плазме с плотностью 2.2·10 18 см -3 . По вертикальной оси - радиальная координата, отсчитываемая от оси импульса. По горизонтальной оси - время после прохождения лазерного импульса через данную точку. (По: Matlis N.H., Reed S., Bulanov S.S. et.al. // Nature Physics. 2006. V.2. P.749-753.)

Проведенные во Франции эксперименты показали, что описанный выше механизм ускорения электронов действительно реализуется. Но полученное увеличение энергии электронов оказалось незначительным из-за очень малой длины, на которой это ускорение возникало.

Сначала считалось, что для возбуждения кильватерных волн лучше всего подходят лазерные импульсы с длительностью, близкой к периоду плазменных колебаний, в то время как более длинные импульсы для этой цели не годятся. Но численные расчеты [ - ] и последующие эксперименты показали, что это не так. Лазерный импульс, длина которого значительно превосходит длину плазменной волны, а мощность превышает определенную величину, в процессе распространения в плазме изменяет свою форму (рис.5). Сначала возникает модуляция его амплитуды, а затем он разбивается на последовательность более коротких импульсов с периодом следования, равным плазменному периоду. Этот эффект получил название самомодуляции импульса. Между последовательностью коротких импульсов и плазменными колебаниями возникает резонанс. Каждый последующий короткий импульс увеличивает амплитуду той кильватерной волны, которую возбудил первый короткий импульс. В результате уже внутри лазерного импульса поле плазменной волны становится весьма большим и достигает 10 9 В/см. Часть электронов плазмы при этом захватывается в плазменную волну. Они начинают двигаться вместе с волной и ускоряются до энергии порядка 100 МэВ на длине в несколько миллиметров.

Рис.5. Развитие самомодуляции импульса и его разбиение на цепочку более коротких импульсов. На первоначальном импульсе с плавно изменяющейся в пространстве интенсивностью (левый рисунок) появляется сначала модуляция амплитуды (средний рисунок), а затем он разбивается на цепочку импульсов малой длины (правый рисунок), расстояние между которыми равно длине плазменной волны l p .

Эксперименты, проведенные во Франции, США, Японии, Англии, показали, что в режиме самомодуляции максимальная энергия ускоренных электронов достаточно высока, но энергетический спектр получается очень широким, что является недостатком с точки зрения возможных применений.

В 2004 г. почти одновременно три экспериментальные группы обнаружили новый режим ускорения электронов, при котором энергия доходила до 250 МэВ, а энергетический спектр был достаточно узким. В этом режиме интенсивность лазерного излучения превосходила 10 19 Вт/см 2 , а длина импульса была близка к длине плазменной волны. Силы высокочастотного давления, действующие на электроны плазмы, были столь велики, что сразу позади импульса возникала почти сферическая область, в которой практически не было электронов. Эту область стали называть bubble (пузырь), а сам режим ускорения - bubble-режимом (рис.6). Из плазмы в эту область захватывалось некоторое количество электронов плазмы, которые и ускорялись.

В настоящее время накоплен уже значительный экспериментальный и теоретический материал, достаточный для проектирования и строительства лазерного ускорителя на энергию электронов более 1000 МэВ. Сейчас несколько таких проектов близки к реализации.

Рис.6. Распространение лазерного импульса в bubble-режиме. Сразу сзади за импульсом образуется область, в которой нет электронов (электронный пузырь). В нее захватывается из плазмы маленький электронный сгусток, который ускоряется.

…и ионов

В 2000 г. при облучении тонких фольг высокоинтенсивными (более 10 18 Вт/см 2 ) лазерными импульсами были обнаружены протоны с энергией до 10 МэВ, вылетающие в основном из задней стенки фольги в направлении распространения импульса . Этот результат вызвал большой интерес. Опыты были повторены во многих лабораториях. Максимальная измеренная энергия протонов в некоторых из них достигала 60 МэВ, а их число доходило до 10 12 на один лазерный импульс.

Как возникают протоны с такой высокой энергией? Анализ экспериментальных данных и численные расчеты показали, что под действием лазерного импульса в фольге возникают быстрые электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с ее противоположной стороны. Но далеко улететь они не могут. Их останавливает электрическое поле ионов, оставшихся в фольге. Вблизи задней поверхности мишени образуется отрицательно заряженный слой, состоящий из электронов. Электрическое поле, создаваемое этими электронами, направлено перпендикулярно к поверхности и достигает величины, достаточной для того, чтобы ионизовать атомы, находящиеся на поверхности. Затем, под действием этого же электрического поля, ионы начинает ускоряться. Возникает двойной слой, состоящий из разделенных в пространстве слоев электронов и ионов, который вылетает из мишени. В процессе ускорения энергия от электронов переходит к ионам. Наиболее эффективно ускоряются легкие ионы (протоны), образовавшиеся из атомов водорода, адсорбированного на поверхности фольги (рис.7).

Рис.7. Ускорение ионов (протонов) при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги. Лазерный импульс падает на левую границу фольги, быстрые электроны вылетают через правую границу фольги и ускоряют ионы своим электрическим полем.

Такие источники энергичных ионов уже находят применение в протонной радиографии, когда изображение объекта получают, просвечивая его пучком протонов. Таким методом удается, в частности, определить структуру электрических полей внутри исследуемого объекта. Но наибольшие перспективы лазерные источники быстрых ионов имеют в медицине (онкология). Дело в том, что именно протоны целесообразнее использовать для воздействия на раковые опухали. В настоящее время источниками таких протонов служат различные вакуумные ускорители, весьма громоздкие и дорогие. Высказываются надежды, что лазерные источники окажутся более компактными и дешевыми.

Быстрое зажигание термоядерного синтеза

Работы по управляемому термоядерному синтезу ведутся в основном по двум направлениям. В одном из них реакция ядерного синтеза идет в горячей плазме, удерживаемой магнитным полем (так называемое магнитное удержание). В другом - плазма создается и нагревается настолько быстро, что не успевает разлететься (так называемое инерционное удержание). Для быстрого создания и нагрева плазмы используются лазеры.

Самой простой является схема прямого сжатия и нагрева ядерного топлива. Лазерные пучки направляются со всех сторон на сферическую оболочку, заполненную смесью дейтерия и трития, при слиянии ядер которых и выделяется энергия. Но для того, чтобы реакция началась, температура внутри мишени должна доходить до 10 кэВ (100 млн градусов). Такой гигантской температуры можно достичь, если резко сжать внутреннюю часть мишени (внешняя оболочка при этом разлетится). Если достичь требуемой температуры при достаточно высокой плотности плазмы, то начнется реакция синтеза, и дальше температура будет поддерживаться за счет выделяющейся при этом энергии. В каком-то смысле такая схема напоминает работу дизельного двигателя, где топливо самовоспламеняется за счет его сильного сжатия.

В отличие от дизельного, в обычном бензиновом двигателе топливо сжимается до меньшего давления и поджигается электрическим разрядом (свеча зажигания). Возникает естественная мысль поджечь и ядерную реакцию при умеренном давлении, использовав в качестве своеобразной “свечи” ультракороткий сверхмощный лазерный импульс.

Рис.8. Процесс управляемого лазерного термоядерного синтеза с быстрым поджигом топлива коротким лазерным импульсом. Сначала лазерные пучки сжимают ядерное топливо (а), затем мощный короткий импульс проделывает канал в оболочке (б) и второй импульс ускоряет электроны (в) и поджигает цепную ядерную реакцию (г).

На рис.8 показан принцип работы термоядерного устройства с быстрым поджигом топлива, предложенный в 1994 г. сотрудниками Ливеморской национальной лаборатории США . Сначала сферическая оболочка с ядерным топливом сжимается под действием нескольких лазерных пучков с достаточно длинными импульсами. Когда степень сжатия достигает определенной величины, относительно короткий лазерный импульс (длительность ~10 -10 с), имеющий интенсивность ~10 19 Вт/см 2 , проделывает в оболочке отверстие, через которое вводится в центр мишени короткий импульс с длительностью ~6Ч 10 -12 с и интенсивностью ~10 20 Вт/см 2 . В процессе прохождения через разреженные слои плазмы этот импульс ускоряет электроны до энергии в несколько МэВ, которые и нагревают термоядерное топливо до температуры, необходимой для начала цепной реакции.

К настоящему времени предложено еще несколько схем быстрого поджига ядерной реакции, в частности с использованием энергичных ионов, возникающих при взаимодействии сверхмощных лазерных импульсов с тонкими фольгами.

Осуществление быстрого поджига термоядерной реакции требует проработки многих вопросов, которая в настоящее время ведется в лабораториях Японии, США, Франции, Великобритании и др.

Ядерные реакции в луче лазера

Выше уже упоминалось, что при интенсивности лазерного излучения, превышающей 10 18 Вт/см 2 , скорость движущегося в лазерном поле электрона становится сравнимой со скоростью света. Если интенсивность составляет 3Ч 10 20 Вт/см 2 , то энергия электрона приблизительно равна 5 МэВ. Непосредственно сам электрон с такой энергией не вызывает ядерных реакций, но, пролетая в окрестности ядра, электрон излучает g -кванты с энергией в несколько МэВ. Именно эти g -кванты и взаимодействуют с ядром, вызывая так называемые фотоядерные реакции. Обычно в результате такого взаимодействия g -квант выбивает из ядра нейтрон. Образовавшееся ядро соответствует изотопу исходного элемента и, как правило, через какое-то время распадается. Измеряя характеристики продуктов распада, можно удостовериться в том, что произошла фотоядерная реакция. На рис.9 показана схема эксперимента , результаты которого были опубликованы в 2000 г. К настоящему времени такие фотоядерные реакции, стимулированные мощными лазерными импульсами, наблюдались для многих элементов.

Рис.9. Схема эксперимента по фотоядерным реакциям. Левая фольга из тантала служит для генерации g -квантов. В правой фольге из меди происходит фотоядерная реакция 63 Cu + g ® n + 62 Cu. Изотопы 62 Cu распадаются с выделением позитронов, которые регистрируются.

Другой тип ядерной реакции был реализован в 1998 г. . Лазерный импульс направлялся на специально приготовленную плоскую фольгу толщиной 200 мкм, содержащую атомы дейтерия - изотопа водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Первый достаточно длинный (3Ч 10 -10 с) лазерный импульс ионизовал вещество мишени и образовывал плазму. Второй, более короткий (6Ч 10 -14 с), интенсивный (10 18 Вт/см 2 ) и узкий (диаметр 4.5 мкм) лазерный импульс направлялся на эту плазму, выталкивал в радиальном направлении электроны, образуя оголенные ионы. Оставшись без электронов, одноименно заряженные ионы расталкивались и разлетались (так называемый кулоновский взрыв) (рис.10). При этом они приобретали большую скорость, сталкивались с находящимися вне лазерного фокуса медленными ионами и вызывали реакцию слияния двух ядер дейтерия. В результате последней реакции образовывались нейтроны с энергией 2.45 МэВ, которые регистрировались.

Рис.10. Схема эксперимента по D-D реакции. На мишень из падает сначала лазерный импульс, создающий плазму. Затем падает второй ультракороткий импульс, образующий плазменный канал. Выброшенные в радиальном направлении ионы дейтерия сталкиваются с медленными ионами дейтерия. В результате реакции D + D ® 3 He(0.82 МэВ) + n(2.45 МэВ) возникают нейтроны, которые регистрируются.

Возможность инициирования ядерных реакций с помощью лазеров привлекательна с экологической точки зрения. С помощью фотоядерных реакций долгоживущие радиоактивные элементы могут быть преобразованы в их короткоживущие изотопы.

Синхротронное и субмиллиметровое излучение

Для исследования и диагностики различных веществ необходимо располагать источниками электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне от жесткого рентгена до субмиллиметровых волн. Для этих целей могут быть использованы короткие мощные лазерные импульсы. Здесь мы остановимся на двух областях длин волн - очень короткие волны с длиной менее 10 -8 см (синхротронное излучение) и весьма длинные волны с длиной 10 -2 см (субмиллиметровое излучение), которые могут быть получены при взаимодействии коротких лазерных импульсов с плазмой.

Обычно источником синхротронного излучения служит пучок высокоэнергичных электронов, движущийся в магнитном поле. Создание относительно компактных лазерно-плазменных ускорителей электронов, о которых речь шла выше, откроет новые возможности для традиционного метода генерации синхротронного излучения. Однако есть и другой путь для генерации этого излучения непосредственно в процессе ускорения электронов.

Как уже говорилось выше, мощный короткий импульс, распространяясь в плазме, возбуждает сзади за собой кильватерные волны, которые могут захватывать часть электронов. Захваченные электроны, двигаясь вместе с кильватерной волной, одновременно осциллируют в поперечном направлении на масштабах порядка ширины кильватерной волны. Связанное с этим искривление траектории электрона сопровождается излучением, которое при соответствующей энергии электронов может иметь частоту того же порядка, что и синхротронное излучение.

Короткие лазерные импульсы могут пригодиться и для генерации значительно более низкочастотного излучения, которое применяется для спектроскопии органических материалов. Это излучение относится к субмиллиметровому диапазону, что отвечает терагерцовому интервалу частот (1 ТГц = 10 12 Гц). В плазме с концентрацией около 10 19 см -3 плазменные колебания имеют как раз частоту такого порядка. Но воспользоваться этим совсем не просто. Дело в том, что плазменные колебания не порождают электромагнитного излучения. Поэтому кильватерная волна, возбуждаемая в однородной плазме коротким лазерным импульсом, не должна давать излучения вне плазмы. Однако в первом эксперименте, где были зафиксированы кильватерные волны, наблюдалось излучение на плазменной частоте. Причина неожиданного результата кроется в неоднородности реальной плазмы. Из-за неоднородности плотности возбуждаемые импульсом волны содержат электромагнитную составляющую, покидающую плазму в виде излучения. В другом эксперименте терагерцовое излучение возникало в процессе выхода импульса из плазмы (рис.11).

Рис.11. Пересечение лазерным импульсом границы плазма-вакуум. Неоднородная плазма создается при ионизации фольги лазерным импульсом. Второй ультракороткий лазерный импульс возбуждает в плазме кильватерную волну, в поле которой ускоряются электроны. Проходя через границу плазмы, они создают электромагнитное переходное излучение в терагерцовом диапазоне частот.

Объяснение этому факту авторы видят в том, что вслед за импульсом через границу плазмы проходят маленькие сгустки электронов, захваченные в кильватерную волну. При пересечении границы электронами возникает так называемое переходное электромагнитное излучение. К такому же переходному излучению приводит и пересечение границы плазмы падающим на нее лазерным импульсом. Помимо этого, излучение, подобное известному черенковскому излучению, возникает и в случае распространения лазерного импульса в плазме, помещенной во внешнее магнитное поле. В отличие от обычного черенковского излучения, которое создается заряженными частицами, в данном случае источником излучения служит короткий лазерный импульс.

Создание достаточно мощных источников терагерцового излучения даст надежный инструмент не только для диагностики в биологии и медицине, но и в сфере безопасности для поиска наркотиков и органической взрывчатки.

* * * Создание СРА-лазеров, способных генерировать ультракороткие сверхмощные лазерные импульсы, открыло широкие перспективы для разнообразных исследований. Благодаря относительной дешевизне и умеренным габаритам, эти лазеры появились в последние годы во многих быстро развивающихся в научном отношении странах (Китае, Индии, Корее, Голландии, Греции и др.). Самые мощные лазеры строятся в настоящее время во Франции, Японии, Германии, США.

Интерес к этим лазерам расширяется и связан с двумя факторами. С одной стороны, они позволяют исследовать свойства вещества в сверхсильных электромагнитных полях, когда неприменимы многие традиционные физические представления. С другой стороны, они могут стать тем инструментом, который найдет много разнообразных применений в медицине, экологии, обеспечении безопасности.

Литература

1. Mourou G., Tajima T., Bulanov S.V. // Review of Modern Physics. 2006. V.78. P.309-371.

2. Stricklend D., Mourou G. // Optic Communications. 1985. V.56. P.219-221.

3. Tajima T., Dawson J.M. // Phys. Rev. Lett. 1979. V.43. P.267-271.

4. Горбунов Л.М., Кирсанов В.И. // ЖЭТФ. 1987. Т.93. С.509-518.

5. Sprangle P., Esarey E., Ting A., Joyce G. // Appl. Phys. Lett. 1988. V.53. P.2146-2148.

6. Горбунов Л.М. Ускорители XXI века? // Природа. 1988. №5. С.15-23.

7. Андреев Н.Е., Горбунов Л.М., Кирсанов В.И. и др. //Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.55. С.551-555.

8. Antonsen T., Mora P. // Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. P.2204-2207.

9. Sprangle P., Esarey E., Krall J., Joyce G. // Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. P.2000-2003.

10. Clark E.L., Krushelnick K., Davies J.R. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. P.670-673.

11. Tabak M., Hammer J., Glinsky M.E. et al. // Phys. Plasmas. 1994. V.1. P.1626-1634.

12. Ledingham K.W., Spencer L., McCanny T. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. P.899-902.

13. Pretzler G., Saemann G.A., Pukhov A. et al. // Phys. Rev. E. 1998. V.58. P.1165-1168.

Ускорители заряженных частиц давно перестали быть исключительно научными приборами. На сегодня в мире насчитывается более 30 тысяч ускорителей , и основная их часть используется для лучевой терапии рака, стерилизации и производства полупроводниковых материалов. Например, чтобы превратить пластину из чистого кремния в микрочип, нужно внедрить атомы примесей в строго отведенные места, и ускоритель для этого подходит как нельзя лучше. Чем компактнее, надежнее и дешевле ускорители, тем выгоднее их использовать и тем больше можно найти для них новых задач.

В первых ускорителях с помощью высокого напряжения создавалось мощное электростатическое поле, которое подхватывает и разгоняет заряженные частицы. Но генератор, способный выдать свыше миллиона вольт, - прибор сложный, дорогой и тяжелый в обращении. Такое напряжение может создать электрический разряд в сторону других предметов на расстоянии свыше метра. Сегодня вместо постоянного напряжения частицы разгоняют, много раз прикладывая к ним переменное электрическое поле.

Описание

Так работают все современные ускорители, но и этот метод уже достиг своего предела. Чтобы развивать такие приборы дальше, многие физики изучают возможность ускорения заряженных частиц тем полем, которое возникает при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Лазерные импульсы могут концентрировать энергию в очень коротких вспышках и тем самым обеспечивать экстремально высокую мощность без строительства сложных установок.

Чтобы разогнать частицы (протоны, например) при помощи лазера, физики в последние десятилетия направляют лазерные импульсы на тонкую фольгу. При этом электромагнитное поле разгоняет часть электронов внутри световой волны, в результате чего они пролетает фольгу насквозь, создавая в материале два разноименно заряженных участка. А где есть две заряженные с противоположным знаком области, там есть и электрическое поле, которое затем может подхватить частицы и придать им необходимый импульс.