Не думай о фемтосекундах свысока

Я являюсь сотрудником отдела сверхбыстрых процессов, который занимается изучением фемтосекундных лазерных систем. И в этой заметке я хочу немного рассказать о том, что же это такое и зачем оно нужно.

Чтобы понять в чём уникальность фемтосекундной оптики и лазерных систем, способных генерировать импульсы длительностью в несколько фемтосекунд, необходимо пояснить, во-первых, что такое фемтосекунда, а во-вторых, что собой представляет лазерное излучение.

Что касается «фемтосекунды», то это слово образовано путём сложения приставки «фемто-» и «секунды». «Фемто-« — это одна из приставок, используемых для обозначения малых долей единицы. Аналогично тому, как «милли-» означает одна тысячная, и следовательно, миллиметр — это одна тысячная метра, «фемто-» означает одна квадриллионная (или другими словами одна миллионная от одной миллиардной). Для людей, знакомых с научной нотацией, более понятным будет сказать, что «фемто-» это 10−15. Таким образом, одна фемтосекунда — это одна квадриллионная (или 10−15) секунды. Как вы понимаете, это очень малый промежуток времени, и уже само то, что современные системы позволяют создавать что-то настолько кратковременное, захватывает дух.

| Памятка по приставкам СИ | | ———————— |

| Множитель | Приставка | Сокращение | | —————- | ——— | ———– | | 1024 | иотта- | И | | 1021 | зетта- | З | | 1018 | экса- | Э | | 1015 | пета- | П | | 1012 | тера- | Т | | 109 | гига- | Г | | 106 | мега- | М | | 103 | кило- | к | | 102 | гекто- | г | | 101 | дека- | д | | 10−1 | деци- | д | | 10−2 | санти- | с | | 10−3 | милли- | м | | 10−6 | микро- | м | | 10−9 | нано- | н | | 10−12 | пико- | п | | 10−15 | фемто- | ф | | 10−18 | атто- | а | | 10−21 | зепто- | з | | 10−24 | иокто- | и |

Но уникальность фемтосекундных оптических приборов заключается не только в том, что они позволяют создавать одни из самых кратковременных объектов, доступных на данный момент человечеству. Намного интереснее, на мой взгляд, следующее. Те, кто помнят школьный курс физики, наверное, знают, что свет, и в том числе лазерное излучение, представляют собой не что иное как электромагнитную волну. А если это волна, то у неё есть и так называемая длина волны. Например, у хорошо знакомых всем волн на поверхности воды длина волны — это расстояние между верхушками расположенных рядом гребней. Если немного подумать, то несложно понять, что если у вас есть некий импульс, то есть ограниченный в пространстве и во времени пакет волн, то он никак не может быть короче длины волны. Действительно, если вы представите себе импульс, который содержит только один гребень (понятно, что хотя бы один гребень всё-таки должен быть), то тогда длина волны будет просто равна длине импульса, и сделать импульс короче можно только уменьшив длину волны, что для электромагнитных волн не так-то просто.

Так вот, длина фемтосекундных импульсов может составлять всего один-два микрона — это в десять раз меньше толщины человеческого волоса, и это всего одна-две длины волны лазерного излучения. Именно поэтому фемтосекундные импульсы называют ещё ультракороткими импульсами, а самые короткие из них, содержащие только одну-две длины волны, — предельно короткими. То есть фемтосекундные импульсы — это предел оптических технологий. Ничего более короткого с помощью обычных лазеров получить невозможно. Сейчас учёные умеют получать электромагнитные импульсы, длительность которых меньше одной фемтосекунды, их называют аттосекундными («атто-» значит одна квинтиллионная или 10−18), но для этого им приходится работать с ультрафиолетовым излучением, длина волны которого в десятки раз меньше микрона.

Пример предельно короткого импульса, содержащего всего одну длину волны.
Пример предельно короткого импульса, содержащего всего одну длину волны.

Естественно, что имея такой инструмент, можно придумать огромное количество приложений, в которых востребованы его уникальные свойства. Одним из самых известных, пожалуй, является так называемая фемтохимия. Пионер этой области Ахмед Зевейл, совсем недавно — летом 2016 года — к сожалению скончавшийся, был даже награждён за свои работы Нобелевской премией по химии 1999 года.

Ахмед Зевейл.
Ахмед Зевейл.

Что такое фемтохимия? Это исследование химических реакций с помощью фемтосекундных лазеров. Дело в том, что 100 фемтосекунд — это приблизительно то время, за которое происходит превращение одной молекулы в другую в ходе химической реакции. Поэтому если у вас есть импульс, который короче 100 фемтосекунд, то вы можете как бы «сфотографировать» молекулу в ходе её превращения. Сделав несколько таких фотографий в разные моменты времени, вы можете восстановить и весь ход реакции, а значит, сможете узнать, как она происходит, и понять, что можно изменить, чтобы её ускорить или замедлить — в зависимости от того, что вам надо.

Идея фемтохимии одной картинкой.
Идея фемтохимии одной картинкой.

Ещё интереснее то, что достаточно мощные фемтосекундные лазеры могут изменять ход химических реакций. Воздействуя на молекулы в ходе их превращения, лазерное излучение может подавлять какие-то реакции, или наоборот, ускорять их, или даже приводит к совершенно новому результату.

В нашей группе мы развиваем другое направление фемтосекундной оптики — лазеры сверхвысоких пиковых мощностей. Дело в том, что с момента своего изобретения лазеры всё время двигались в направлении увеличения мощности излучения. И это вполне объяснимо, поскольку лазер — это очень эффективный генератор света. Лазерное излучение легко фокусируется и позволяет достигать высоких концентраций электромагнитной энергии. Но как можно повысить мощность? Самый простой и прямой способ - это увеличивать энергию лазерных импульсов. Но мощность — это не просто энергия, мощность — это количество энергии, потребляемой или излучаемой в единицу времени. Например, мы все знаем, что есть лампочки накаливания мощностью, скажем, 100 Ватт, а есть светодиодные лампочки, которые светят так же, но их мощность, скажем, 10 Ватт. Если лампочка накаливания проработает один час, то она «съест» электроэнергии 100 Ватт-часов. А вот чтобы светодиодная лампочка «съела» столько же, ей придётся работать в 10 раз дольше — то есть 10 часов. В этом и заключается разница между мощностью и энергией.

Так вот, ясно, что чтобы увеличить мощность лазерного импульса, можно не только увеличивать его энергию, но и уменьшать длительность. И здесь мы приходим к связи между сверхмощными лазерными системами и ультракороткими лазерными импульсами. В общем случае, можно сказать, что чем мощнее лазерный импульс, тем он короче. И самые мощные импульсы имеют предельно короткую длительность — фемтосекундную.

Центральным и самым дорогим элементом любой сверхмощной фемтосекундной лазерной системы является вот такое огромное дифракционное зеркало. Обратите внимание, насколько чёткую радугу оно даёт.
Центральным и самым дорогим элементом любой сверхмощной фемтосекундной лазерной системы является вот такое огромное дифракционное зеркало. Обратите внимание, насколько чёткую радугу оно даёт.

Есть такой сверхмощный фемтосекундный лазер и в Институте прикладной физики РАН. Являясь самым мощным в России и одним из самых мощных в мире, он кроме того основан на уникальной схеме, которая до этого для таких систем никем и никогда не использовалась. Большинство других подобных систем используют в качестве главного элемента кристалл титан-сапфира или так называемое неодимовое стекло. Это специальные вещества, которые позволяют генерировать и усиливать ультракороткие лазерные импульсы. В нашей установке главным элементом является кристалл дигидрофосфата калия, сокращённо называемый KDP или DKDP (это более «продвинутая» версия того же кристалла, в которой атомы водорода заменены на атомы дейтерия). Этот кристалл сам не может генерировать ультракороткие импульсы, однако он может с очень высокой эффективностью передавать энергию одного импульса другому. При этом если первый импульс длинный и потому не очень мощный, а второй короткий, то в результате короткий импульс становится очень мощным — что нам и требуется. Наша лазерная система заработала в полную силу во второй половине 2000-х годов, а сейчас эта схема усиления повсеместно признана одной из наиболее перспективных для лазерных систем следующего поколения и уже используется сразу в нескольких строящихся проектах.

Красивая фотография DKDP кристалла. На самом деле внешне это самый обычный прозрачный кристалл типа кварца, например.
Красивая фотография DKDP кристалла. На самом деле внешне это самый обычный прозрачный кристалл типа кварца, например.

Зачем нужны сверхмощные фемтосекундные импульсы? Оказалось, что у них довольно много интересных приложений. Когда такой импульс фокусируется на мишень — например, на поверхность тонкой пластинки или в струю газа (струя нужна, поскольку все эксперименты проводятся при глубоком вакууме), то вещество этой мишени практически мгновенно «сгорает» — физики говорят, что оно превращается в плазму. Плазма является исключительно хорошим конвертером энергии лазерного излучения в энергию частиц, из которых состоит вещество. Именно поэтому такие установки способны ускорять электроны и протоны — из которых состоит всё, что нас окружает, — до очень высоких энергий за очень короткое время. Я думаю, все слышали про традиционные ускорители частиц. Большой адронный коллайдер - пример такого ускорителя. Традиционные ускорители должны обладать просто колоссальными размерами, чтобы в них можно было ускорить частицы до высоких энергий. Например, Большой адронный коллайдер имеет форму кольца длиной 26 километров! Сверхмощные фемтосекундные лазеры могут ускорить частицы до тех же энергий на расстоянии в несколько сантиметров.

Вид на Большой адронный коллайдер с высоты птичьего полёта.
Вид на Большой адронный коллайдер с высоты птичьего полёта.

Из-за огромных размеров и высокой стоимости традиционные ускорители частиц являются, к сожалению, малодоступными, а ведь у них есть очень важные практические приложения. Примером может служить так называемая адронная или протонная терапия раковых опухолей. Я думаю, все слышали про рентгенотерапию. Её ещё называют лучевой терапией, но на самом деле это только один из видов лучевой терапии. При рентгенотерапии раковые клетки облучаются жёстким рентгеновским излучением, которое их убивает. К сожалению, рентген не разбирает, где раковые клетки, а где здоровые, и поэтому требуются особые ухищрения, чтобы как можно меньше повредить здоровые ткани. Особенно это актуально при облучении областей вблизи мозга, например, при ретинобластоме — злокачественной опухоли сетчатки глаза.

Значительно лучше было бы заменить рентген на протоны. Они также эффективны в уничтожении раковых клеток, но намного более избирательны. Так, например, можно быть уверенным, что при облучении ни один протон не проникнет дальше определённой точки, зависящей от энергии протонов, — это называется брэгговским пиком. То есть вы всегда можете спланировать облучение таким образом, что даже если за раковой опухолью у вас находится жизненно важный орган, вы будете уверены, что он не получит ни малейшей дозы облучения.

Сравнение дозы, получаемой различными областями головы при рентгенотерапии (слева) и протонной терапии (справа) опухоли в носоглотке.
Сравнение дозы, получаемой различными областями головы при рентгенотерапии (слева) и протонной терапии (справа) опухоли в носоглотке.

К сожалению, чтобы быть эффективными, протоны должны иметь довольно высокую энергию, и для их получения требуются большие ускорители, поэтому сейчас протонная терапия доступна в считанном числе центров. Например, в России такие операции проводят только в одном месте — в Дубне. Появление более компактных и потому более дешёвых ускорителей протонов на основе фемтосекундных систем сделало бы протонную терапию доступной практически всем. Свой ускоритель мог бы позволить себе каждый областной центр. Это одна из целей, к которой мы стремимся, проводя свои исследования.

Вот так выглядит изнутри мишенная камера на лазерной установке PEARL в Институте прикладной физике РАН, где я работаю. Именно здесь и происходит ускорение протонов.
Вот так выглядит изнутри мишенная камера на лазерной установке PEARL в Институте прикладной физике РАН, где я работаю. Именно здесь и происходит ускорение протонов.

Конечно, это лишь малая часть возможных приложений фемтосекундных систем. Они уже используются в хирургии, для получения изображений в медицине, биологии и физике, для создания новых микро- и наноструктурированных материалов. Ведутся работы по использованию их для оптических коммуникаций, для генерации пучков нейтронов в медицинских целях и для контроля безопасности грузов при авиаперевозках, для создания сверхточных часов, для использования в навигации в качестве лазерных гироскопов и много-много где ещё.

Я уже упоминал, но повторю, что учёные не останавливаются на фемтосекундах, но активно используют фемтосекундные лазеры чтобы создать ещё более короткие импульсы — атто- и даже в перспективе зептосекундные («зепто-» значит одна секстиллионная или −21). Если сейчас мы можем изучать процессы на уровне молекул, то такие импульсы дадут нам возможность в практически буквальном смысле заглянуть внутрь атомов и даже ядер. И это дело уже ближайших 10–20 лет.


Эта статья была изначальна написана для газеты «Поиск».

comments powered by Disqus