Тема:

Эксперименты со светом 5 месяцев назад

Новый рекордный лазер поможет заглянуть в космос и вылечить рак

Новое достижение сулит фундаментальные открытия и технологические прорывы.

Новое достижение сулит фундаментальные открытия и технологические прорывы.
Фото Chang Hee Nam, CoReLS.

Система корректировки луча направила всю мощность лазера на крошечное пятнышко.

Система корректировки луча направила всю мощность лазера на крошечное пятнышко.
Фото Chang Hee Nam, CoReLS.

Новое достижение сулит фундаментальные открытия и технологические прорывы.
Система корректировки луча направила всю мощность лазера на крошечное пятнышко.

Физики создали лазерный луч невероятной интенсивности. Они как будто сфокусировали весь достигающий Земли солнечный свет в пятно, которое многократно меньше сечения человеческого волоса. Долгожданный рекорд сулит прорывы во многих областях, от фундаментальной физики до лечения рака.

Лазеры давно вошли в наш быт (вспомним, например, о лазерных указках или компакт-дисках) и стали верными помощниками на производстве. Вместе с тем лазеры остаются незаменимым научным инструментом. С их помощью можно манипулировать отдельными клетками, изучать антиматерию, воссоздавать условия планетарных недр и грандиозных космических взрывов, а также делать множество других интересных вещей.

Разумеется, простор для экспериментов с лазерным излучением ограничивается возможностями самих лазеров. Поэтому физики неустанно работают над тем, чтобы сделать эти излучател мощнее, быстрее или лучше ещё в каком-нибудь смысле.

Солнце на волоске

Один из важных параметров лазера – поток излучения, или, как его иногда называют, интенсивность. Это мощность излучения, падающая на единицу площади облучаемой поверхности. Именно по этому показателю был достигнут недавний рекорд.

Напомним, что мощность излучения, измеряемая в ваттах, – это энергия, выделяемая в единицу времени. Повысить мощность лазерного луча можно, либо взяв более впечатляющий источник энергии, либо испуская луч как можно более короткими импульсами, чтобы "упаковать" выделенную энергию в краткий миг.

Наращивать энергопотребление установки – сложная задача. Никто не будет строить Братскую ГЭС ради одного лазера, да и "переварить" гигантскую энергию не так просто. Именно поэтому рекордная мощность лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет "всего" несколько мегаватт. Зато за счёт сокращения продолжительности импульса до пико- или фемтосекунд можно увеличить мощность в одном импульсе до нескольких петаватт (1015, или тысяча триллионов, ватт).

Лазер в Центре релятивистских лазерных исследований Института фундаментальных наук в Республике Корея эксплуатируется с 2016 года. Он генерирует импульсы мощностью в четыре петаватта. По нынешним временам это уже не рекорд, но более мощные установки можно пересчитать по пальцам.

Учёные, работающие с этим инструментом, в течение нескольких лет трудились над системой максимально точной фокусировки излучения. В итоге они уменьшили диаметр луча с 28 сантиметров до одного микрометра (менее 2% от толщины человеческого волоса). Таким образом, теперь вся огромная мощность лазера приходится на участок мишени

В новом эксперименте лазер течение восьми секунд испустил 80 импульсов длительностью в несколько фемтосекунд (10-15, или тысячная доля триллионной доли секунды) и мощностью в четыре петаватта. В среднем за эти восемь секунд на крошечный (порядка 10-16 см2) облучаемый участок мишени пришлась мощность порядка 10 мегаватт. В пересчёте на квадратный сантиметр она составила 1023 ватт. Другими словами, интенсивность излучения достигла 1023 Вт/см2.

Это вдесятеро больше предыдущего рекордного значения, достигнутого почти двадцать лет назад в США. Представить себе масштабы рекорда поможет такая аналогия: подобную интенсивность можно получить, если весь достигающий Земли солнечный свет сфокусировать в луч диаметром 10 микрометров.

Система корректировки луча направила всю мощность лазера на крошечное пятнышко.

Луч надежды

Эксперименты с лазерным излучением такой интенсивности могут обеспечить прорыв во многих областях, от фундаментальной физики до медицины.

Самый широкий простор открывается для физиков, исследующих взаимодействие света и вещества. Они наконец смогут экспериментально проверить многие идеи, высказанные теоретиками уже около века назад. До сих пор не было технической возможности проделать нужные опыты, а теперь она появилась.

Новое достижение заинтересует и астрономов. Они смогут проверить свои гипотезы о происхождении космических лучей высоких энергий – таинственных частиц, приходящих с просторов Вселенной. Споры об их природе ведутся уже многие десятилетия.

Как ни удивительно, достижение может подарить новую надежду больным раком. Дело в том, что в последнее время бурно развивается протонная лучевая терапия – облучение раковой опухоли ускоренными протонами. Сегодня для этого используются обычные ускорители частиц, а это очень дорогие установки. Возможно, что с помощью мощных лазеров будет куда проще получать ускоренные протоны. Их источники станут дешевле, а значит, лечение будет доступнее для пациентов. Эксперименты с лазером рекордной интенсивности могут проложить дорогу этой технологии.

Подробности исследования изложены в научной статье, опубликованной в журнале Optica.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".