В закрытой лаборатории в Нижнем Новгороде прошел день открытых дверей
День открытых дверей в закрытую лабораторию с самым мощным в России лазером устроил президент Российской академии наук Александр Сергеев. Он пригласил журналистов в нижегородский Институт прикладной физики РАН, чтобы показать, как его ученые работали вместе с лауреатом Нобелевской премии по физике Жераром Муру над совместным проектом.
Что придумал этот Муру
Француз Жерар Муру стал одним из трех ученых, получивших в этом году Нобелевскую премию за "новаторские исследования в области лазерной физики". О том, что же такое придумал Муру, президент РАН рассказывает с нескрываемым восхищением. Он говорит, что идея французского ученого проста и гениальна одновременно.
"Достижение Жерара Муру - создание очень коротких и очень мощных импульсов, в которых именно за счет их короткости достигается очень высокая концентрация энергии. Там развиваются гигантские мощности, интенсивности, электрические поля. И это одно из направлений, где современные лазеры стали исключительно важным инструментом для исследования природы", - рассказывает Сергеев.
Как он этого добился? Ведь лазеры был изобретены в начале 1960-х годов, и на протяжении нескольких десятилетий их мощность увеличивалась. Но затем дело застопорилось: мощное излучение выводило из строя усилительные элементы лазера.
"Если вы хотите с помощью лазера получить такое мощное излучение, что никакое вещество не может его терпеть и моментально превращается в плазму, взрывается, то встает вопрос - как можно получить это излучение, ведь оно испортит сам прибор. Муру придумал вот что: импульс, который имеет достаточно большую мощность, нужно растянуть во времени, чтобы его мощность локально упала. И тогда его можно будет усиливать до больших значений энергии, которая внутри него сидит. Дальше этот импульс сжимается назад через компрессор", - поясняет Сергеев.
Идея Муру - импульс расширить, усилить, а потом сжать - была опубликована в 1985-м году. Аспиранткой Муру была Донна Стрикланд, которая помогла проверить идею экспериментально и разделила со своим учителем Нобелевскую премию. "Простейшее решение, которое привело к великим результатам", - говорит президент РАН.
Сейчас в мире действуют сотни лабораторий, в которых работают лазеры, основанные на этой идее. Одна из них - лаборатория Института прикладной физики (ИПФ) РАН в Нижнем Новгороде, где до избрания главой Академии работал сам Сергеев и которую он создавал вместе с Муру.
Самый мощный лазер страны
С Институтом прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде Муру сотрудничает много лет. В 2006 году здесь был создан петаваттный лазерный комплекс ПЕРЛ - один из самых мощных в мире и самый мощный в России.
Чтобы посмотреть на него поближе, журналистам пришлось спуститься в поземный бункер - бомбоубежище института, в котором разместили лабораторию. Это сделано для того, чтобы исключить влияние внешних шумов.
Прежде чем впустить в лабораторию, всех заставляют надеть бахилы и халаты, а в самом помещении просят говорить, отвернувшись от столов с оборудованием. "Капли слюны или грязь с улицы могут создавать дополнительную пыль, а это приводит к пробоям оптики элементов", - поясняют сотрудники лаборатории.
Вопреки ожиданиям, оказывается, что ПЕРЛ - это не один лазер, а целый комплекс приборов, в том числе около трех сотен оптических элементов - линз и зеркал, каждое из которых должно быть установлено под определенным углом на определенном расстоянии от соседнего. А еще это каскад вспомогательных лазеров.
"Наша установка состоит из нескольких лазеров, построенных по принципу, предложенному Жераром Муру. Вот, например, маленький слабомощный лазер с очень коротким импульсом. Это излучение нужно усилить, для этого другие лазеры передают свою энергию. Так этот изначально слабомощный импульс сначала растягивается, потом усиливается за счет других лазеров. Затем это растянутое излучение, которое взяло энергию от нескольких лазеров, сжимают в компрессоре. А уже потом это излучение используется, например, для ускорения электронов, протонов и других частиц", - рассказывает старший научный сотрудник ИПФ РАН Иван Яковлев.
Оборудование с выверенной до миллиметра точностью расставлено на нескольких столах. Особое внимание привлекает гигантский кристалл.
"Наш ПЕРЛ - не только самый мощный лазер в России, но и очень специфический. Усиление в нем происходит с использованием параметрического кристалла, который берет энергию одного лазера и переводит внутри себя эту энергию в другой лазерный луч, который потом можно сжать. Это обладает массой преимуществ по сравнению с обычным лазерным усилением. Кристалл выращивался раньше для других работ, но мы обнаружили, что если его правильно развернуть во всех трех координатах, то его свойства становятся существенно лучше. И это изобретение нашего института", - с гордостью рассказывает замдиректора ИПФ РАН Ефим Хазанов.
Хазанов - руководитель лазерного отделения, в котором работал Жерар Муру. Они проводили много времени не только на работе, но и на отдыхе - познакомившись в 2001 году на научной конференции, с тех пор успели выработать массу новых идей, провести множество экспериментов и опубликовать десяток научных статей на разные темы.
Любимый ученик Муру
В экспериментах в лазерном отделении ИПФ РАН не последняя роль отводится молодому ученому Сергею Миронову. Вместе с Жераром Муру он думал, как сделать лазерные импульсы еще более короткими.
"Сергей Миронов - любимый ученик Жерара Муру в России. Жерар был одним из руководителей тех исследований, которые проводил Сергей по изучению методов дальнейшего сжатия импульсов. Он много работал с Муру здесь и продолжал работу и во Франции, и в Канаде", - рассказывает президент РАН.
Сергею 34 года, через неделю он будет защищать докторскую диссертацию. На защиту должен был приехать Муру, но из-за присуждения Нобелевской премии ему пришлось скорректировать планы и отказаться от поездки в Нижний Новгород.
"Я познакомился с Жераром 10 лет назад на конференции, который организовывал ИПФ РАН. С тех пор не раз работали вместе. Я ездил во Францию в Эколь Политекник, где работает Жерар, в качестве приглашенного ученого. Мы решали задачу возможности дальнейшего увеличения мощности лазерных импульсов. У нас вышло несколько научных статей, по ним проводились эксперименты в Канаде, во Франции, в Румынии", - говорит Миронов.
Он уверен, что подружиться с ученым с мировым именем ему помогла отличная подготовка, которую дали в нижегородском университете по теоретической физике.
"Ему было интересно со мной общаться. Он даже приглашал меня к себе в гости. Я бы сказал, что он мой коллега, друг и учитель", - резюмирует молодой физик.
Фабрика кристаллов
Молодых физиков много и в лаборатории, где выращивают гордость ИПФ РАН - уникальные кристаллы.
"Мы умеем выращивать очень большие кристаллы, которые являются ключевыми элементами уникальных лазерных систем. В том числе и систем, которые сейчас используются и будут использоваться для изучения лазерного термоядерного синтеза. Эта энергия будет, в конце концов, освоена", - уверен президент Российской академии наук.
В большой и очень светлой лаборатории переодетых в светлые халаты журналистов водят среди огромных колб - кристаллизаторов. В них из раствора дигидрофосфата калия выращивают кристаллы для лазерной оптики. За сутки они увеличиваются на 5-10 миллиметров. В зависимости от нужного размера он "живут" в кристаллизаторах от двух недель до 3-4 месяцев.
"Здесь мы выращиваем кристаллы для нашего основного заказчика - для научно-исследовательского института экспериментальной физики в Сарове и для внутренних нужд - лазера ПЕРЛ. Часть кристаллов меньшего габарита мы отправляем коллегам за границу", - рассказывает заведующий лабораторией Артем Прохоров.
По его словам, уникальность лаборатории заключается в том, что здесь удалось добиться почти безотходного производства, поскольку все кристаллы выращиваются в строго определенной форме. А потому нижегородским ученым, в отличие от их коллег из других городов и стран, не приходится отсекать слишком много лишнего, выпиливая из готового кристалла нужные элементы.
В будущем эту лабораторию ждет существенное расширение - по словам Прохорова, планируется открыть еще одно помещение, в котором установят семь 700-литровых кристаллизаторов и несколько кристаллизаторов меньшего объема.
Как затащить вселенную в лабораторию
И все же ПЕРЛ со всеми его лабораториями, кристаллами и самым мощным лазером в стране, оказывается, всего лишь прототип для по-настоящему гигантского научного проекта - Центра исследования экстремальных световых полей с лазером XCELS. Это проект класса Megascience, который в ближайшие 7-8 лет будет реализован в Нижнем Новгороде.
По словам президента РАН, присуждение Нобелевской премии по физике 2018 года Жерару Муру, который работал в ИПФ РАН, существенным образом поможет продвижению проекта XCELS (eXawatt Center for Extreme Light Studies). Кстати, эту аббревиатуру придумал Жерар Муру, отметив, что она хорошо звучит на английском языке.
"XCELS будет состоять из 12 лазерных каналов, каждый из которых построен по архитектуре нашего лазера ПЕРЛ. Именно на основе того, что сделано в ИПФ РАН, будет делаться XCELS. Кроме того, очень важным компонентом всех этих лазерных систем должны быть кристаллы, которые здесь выращиваются. Таких кристаллов, которые нужны для этой установки, пожалуй, мы не можем приобрести больше нигде в мире", - сказал Сергеев.
В работе над лазерной установкой, которая будет примерно в 50 раз мощнее имеющейся, задействуют и нижегородских ученых, и Жерара Муру.
"Такие интенсивные излучения приводят нас в совсем другую область физических параметров. Простейшие частицы в полях с таким мощным излучением начинают вести себя совершенно непривычным образом. Мы попадаем в другой физический мир, который еще никто никогда не видел. Это мир, в котором одновременно идет рождение вещества и антивещества. Понятно, что такое происходит где-то во вселенной. Мы таким образом вселенную затащим в нашу лабораторию", - резюмировал президент Российской академии наук.
