Установлен новый мировой рекорд мощности лазерного импульса

На днях, в конце июля лазерная система Лазерного Ускорителя в Лаборатории Беркли (the Berkeley Lab Laser Accelerator, BELLA), продемонстрировала импульсы мощностью в один пэтаватт и длительностью в 40 фемтосекунд, частота импульсов составила 1 Герц - то есть один импульс в секунду. Один петаватт равен 10 в пятнадцатой степени ватт, другими словами, одному квадриллиону ватт! Продолжительность импульса, напротив, равна одной фемтосекунде - 10 в минус пятнадцатой степени секунды, или одной квадриллионной доле секунды.

До этого ни одна лазерная система в мире не достигала подобной мощности при такой относительно высокой частоте импульсов. BELLA, создание которой находится на завершающем этапе, расположена в Национальной Лаборатории имени Лоуренса Беркли при Министерстве Энергетики США (the U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory).

Лазерная установка BELLA. Модули на переднем плане "растягивают" изначально короткие и слабые лазерные импульсы, которые впоследствии усиливаются в длинной центральной камере

«Это новый мировой рекорд», - отмечает Вим Леманс (Wim Leemans) из Подразделения Исследования Ядерного Синтеза (Berkeley Lab's Accelerator and Fusion Research Division, AFRD) в разговоре со своей командой об их техническом успехе. Леманс работал над запуском проекта BELLA в 2006 году, а сейчас возглавляет программу Интегрированных Исследований в области Лазерных и Оптических Ускорительных Систем (Lasers and Optical Accelerator Systems Integrated Studies program, LOASIS) в подразделении AFDR.

Поздравляя группу ученых, занимающуюся проектом BELLA, директор Лаборатории Беркли Пол Аливисатос (Paul Alivisatos) заявил: «Это существенный прогресс на пути к созданию нового поколения компактных и намного более эффективных ускорителей как инструментов фундаментальной науки».

Директор подразделения AFDR Стивен Гоурли (Stephen Gourlay) напоминает, что «еще не так давно сам проект BELLA был только мечтой, а теперь открываются перспективы для еще более интересных и важных с научной точки зрения систем».

Леманс добавляет, что «ускоритель BELLA станет особым инструментом в лазерных технологиях, а также в направлении физики, изучающем взаимодействие частиц материи. Пиковая мощность лазера даст нам доступ к новым режимам, позволяя собирать на базе BELLA компактные ускорители частиц для физики высоких энергий и настольные лазеры на свободных электронах для исследования новых материалов и биологических систем. А рабочая частота лазера сделает возможным серии повторяющихся экспериментов в разумные промежутки времени».

Процесс настройки системы с высокой пиковой мощностью

В основу проекта BELLA легли годы исследований лазерных плазменных ускорителей в рамках программы LOASIS. В отличие от обычных ускорителей, которые используют модулированные электрические поля для ускорения заряженных частиц вроде протонов или электронов, лазерные плазменные ускорители генерируют так называемые волны электронной плотности, которые проходят через плазму благодаря лазерным лучам, нагревающим и «прожигающим» путь в газовом облаке, либо проникают через заполненные плазмой капиллярные сети внутри кристаллов, к примеру, сапфиров. Волны захватывают часть свободных электронов из плазмы и ускоряют их до очень высоких значений энергии на крайне коротких дистанциях – ускоренные электроны словно скользят по гребням быстрых как свет волн.

Ученые из программы LOASIS преодолели планку мощности электронных пучков в 100 миллионов электронвольт (100 MeV) в 2004 году, а один миллиард электронвольт (1 GeV) был достигнут ими в 2006 – в сапфировом блоке всего 3.3. сантиметров в длину. Тогда и стартовала работа над проектом ускорителя BELLA.

Ожидается, что лазерная установка из системы BELLA сможет генерировать пучки электронов с энергией в 10 миллиардов электронвольт (10 GeV). Ранее на Стенфордском Линейном Ускорителе (the Stanford Linear Accelerator Center) были получены электронные пучки мощностью в 50 GeV по традиционной технологии, однако для этого потребовался ускоритель длиной в две мили. Для сравнения, длина ускорителя BELLA равна всего одному метру (лазерная установка размещена в соседней комнате).

Длина основного кольца Большого Адронного Коллайдера, как известно, составляет более двух с половиной километров - против одного метра у Ускорителя BELLA.

«Наши «ноу-хау» помогут нам собрать собственную лазерную установку с такими характеристиками, которые необходимы для того, чтобы будущая система могла излучать стабильные, настраиваемые электронные пучки не менее 10-ГЭв с низким временем «разогрева», - продолжает Леманс. «Новые технологии ведут к новой науке, BELLA – прекрасный тому пример».

Лазерная система BELLA уже способна выдавать на выходе «сжатую» энергию в 42.4 Джоуля за период в 40 фемтосекунд с частотой 1 Hz. Пиковая мощность в один петаватт в два раза превосходит мощность импульсов даже тех лазеров, которые, как говорят, генерируют излучение, по своей энергии равное национальным показателям энергопотребления в США «в каждый момент времени».  Слово «момент» обладает особым значением в данном контексте, поскольку средняя мощность лазерной установки BELLA составляет всего 42.4 ватта – примерно как у обычной домашней лампы накаливания. Гигантская же пиковая мощность достигается путем «сжатия» этой незначительной энергии в один чрезвычайно короткий импульс.

Лазерная система BELLA проектировалась командой под руководством Франсуа Люро (Francois Lureau) из компании Thales of France с целью полной интеграции с оборудованием и системами безопасности Лаборатории Беркли. Эксперименты, направленные на получение «10-миллиардных» электронных пучков для сверхмощных лазерных импульсов, начнутся уже осенью 2012 года.