Лаборатория релятивистской лазерной плазмы

Фемтосекундный лазерный комплекс. Зеленое свечение – рассеянное излучение накачки

Исходно эта установка была закуплена 15 лет назад, но от того, что куплено, ничего уже не осталось – мы полностью все переделали: увеличили в несколько раз энергию импульса, существенно улучшили так называемый контраст импульса (избавились от паразитного излучения большей длительности), повысили стабильность параметров почти на порядок. В итоге, без лишней скромности, наша установка – фактически единственная в РФ установка такого рода, стабильно уже более 10 лет производящая «научную продукцию» в виде публикаций в ведущих журналах, диссертаций, дипломов и так далее. Одних кандидатских диссертаций у нас защищено более 10.

Про направления исследований

Пример задачи в этом направлении — мы диагностируем спектр наших электронов, подставляя разные мишени, и за счёт фотоядерных процессов наблюдаем вылет нейтронов. Такая тематика интересна и сама по себе, называется она ядерной фотоникой. Это новая область науки, по ней можно посмотреть обзор в журнале «Успехи физических наук» за 2021 год. Одна из задач ядерной фотоники – исследование ядерных процессов, индуцируемых лазером.

Ускорители электронов (комната 308).

Лазерное излучение тераваттной мощности нельзя передать даже по воздуху без существенного искажения его характеристик вследствие нелинейности воздуха (об этом чуть позже). Поэтому излучение из комнаты, где стоит лазерный комплекс, приходит в смежную комнату по воздуху в виде импульса значительно большей, субнаносекундной длительности (это позволяет снизить пиковую мощность и уменьшить влияние нелинейности), а затем сжимается до 50 фс в специальном устройстве – вакуумном компрессоре. Из компрессора сжатый импульс поступает по вакуумной трубе в камеру взаимодействия.

Каждый эксперимент по силовому воздействию на вещество требует широкого спектра методик – оптических, рентгеновских, корпускулярных. Поэтому все камеры взаимодействия (а их у нас три, размером до 1.5 м в диаметре) оснащены комплексной диагностикой. В этих камерах идут эксперименты по твердотельным, наноструктурированным, жидкостным, капельным, газовым и кластерным мишеням. Спецификой наших экспериментов является то, что мы, как правило, сначала подготавливаем плазму в нужном нам состоянии с помощью наносекундного лазерного импульса, а уже затем облучаем мощным фемтосекундным. Например, проводятся эксперименты по формированию из микрокапель облачка с нужной плотностью, либо плотного «блинчика», либо формирования плазменного пузыря из микрокапли.

Почему электроны разгоняются именно в плазме?

Это принципиальный момент — в вакууме нельзя получить ускоренный лазерным излучением электронный пучок, а в плазме можно. В плазме возбуждаются плазменные волны – продольные колебания электронной плотности, которые способны захватывать электроны и ускорять их до скоростей, близких к скорости распространения лазерного импульса в плазме. Преимущество плазмы также в том, что плазму, в отличие от любой среды и даже глубокого вакуума, нельзя пробить. Из-за этого темп ускорения можно сделать чудовищно большим, на несколько порядков большим, чем в линейном ускорителе.

Работает это, например, так: есть газовая струя, мы фокусируем в нее лазерное излучение, оно создает плазму, и оно же ускоряет электроны, а дальше мы их можем использовать: генерировать гамма-излучение, нейтроны и так далее. Пример такого процесса показан на анимации ниже.

Анимацию вы можете посмотреть в статье Telegraph.

Одни из наиболее перспективных эффектов, связанных с ускорением электронного пучка в плазме, является генерация терагерцового излучения при пересечении им границы плазма-вакуум. Оказывается, что когда электронный пучок пересекает любую границу раздела (скачок показателя преломления), то возникает так называемое переходное излучение. Это явление объясняется так: когда электрон пролетает границу раздела, он наводит потенциал, который потом «выплескивается». При этом такой релятивистский электронный пучок генерирует переходное излучение именно в терагерцовом диапазоне.

Это явление интересно по двум причинам. Во-первых, удается получать огромные напряженности поля, гораздо большие, чем, например, при оптическом выпрямлении в органических кристаллах. Во-вторых, здесь нет принципиального ограничения по энергии лазерного импульса. Все существующие сейчас терагерцовые источники на основе фемтосекундных лазеров принципиально ограничены по мощности и интенсивности, потому что нельзя допускать пробоя преобразователя. А здесь нам не приходится об этом думать — у нас уже зарегистрированы поля напряженностью порядка 10–20 МВ/см. Для сравнения, обычный кремний пробивается статическим полем напряженностью 1 МВ/см.

Здесь интерес в том, чтобы смотреть на взаимодействие таких уже терагерцовых импульсов с твердым телом, потому что возникающее электромагнитное поле нельзя назвать ни переменным, ни постоянным. Такое поле стоит назвать квазипостоянным. С точки зрения диффузии электронов в полупроводнике это постоянное поле, но с точки зрения образования электронной лавины это переменное поле, то есть лавина образоваться не успевает.

Ещё одна интересная особенность этого излучения — оно является квазиуниполярным импульсом. То есть это не осциллирующее поле, а, по сути, один выброс. У него, конечно, есть отрицательный хвост, но он очень маленький. Интеграл этого поля по времени будет равен нулю, но положительный выброс будет в 10 раз больше по амплитуде.

Применение в медицине

Ещё у нас есть идеи, как развиваемые нами подходы внедрить в медицину. Например, мы реализовали источник рентгеновского излучения, позволяющий получать изображения микрообъектов с помощью метода рефракционного контраста. На рисунке – фотография комара, полученная за 100 лазерных импульсов.

В медицине также интересно использовать терагерцовое излучение, ионы и электроны для терапии. Специфика там такая: рентгеновское излучение поглощается в материале по закону Бугера, то есть он выжигает только поверхность, а воздействовать на что-то в объеме уже не получается.

А если, допустим, взять протон с энергией 200 МэВ, то он сначала пролетает 1 см, а потом почти всю энергию мгновенно отдает. То есть за счет неупругого рассеяния он сначала теряет энергию, а потом приближается к ядерному резонансу. Таким образом, регулируя начальную энергию, можно локализовать область действия излучения. Это может сработать для мозга и более тонких мест.

Если же взять электроны с не очень широким спектром, примерно 10% от их энергии, то для них Бугеровский закон поглощения также выполняться не будет, поэтому можно выжигать на некоторой глубине, хотя эта глубина и гораздо меньше, чем у протонов. Но здесь оказывается важным так называемый «flash эффект» — мгновенное воздействие большого числа ионизирующих частиц. Именно с точки зрения наших задач важно, что клетка получает множественный повреждения. «Множественные» означает, что в клетку за короткое время должен попасть не один электрон, а много, поэтому импульс должен быть коротким, а электронов в нём должно быть много. Тогда идёт резкая деградация, а иначе клетка пытается восстановиться. Лазерные методы как раз дают эти подходящие пучки электронов.

Все, что в этой комнате, вы делаете сами?

Да, почти все в лаборатории сделано нами. Вакуумные камеры, понятно, покупаются, но изготавливаются они по нашим чертежам. А всю диагностику: ионный, рентгеновский, гамма- и электронный спектрометры, мы делаем сами. Конечно, к этому добавляется закупка измерительных приборов, видеокамер, детекторов, спектрометров и так далее. Еще один важный момент — весь эксперимент автоматизирован, даже в вакууме все управляется дистанционно. И вся эта система автоматизации, контроля, управления и сбора данных создана в нашей лаборатории.

Есть ли какая-то опасность при работе в лаборатории?

Комната удаленного управления экспериментом

Используете ли вы расчеты в работе?

Вся экспериментальная деятельность, естественно, невозможна без расчетов. Для решения некоторых задач мы взаимодействуем с теоретиками, но по задаче с плазмой все делаем сами.

Мы стараемся, чтобы студенты одновременно занимались экспериментом и расчетами. Расчеты делаем методом «частиц в ячейке» — это моделирование на готовом пакете. Проще говоря, метод состоит в следующем: у вас есть миллион заряженных частиц, на них налетает электромагнитная волна и они начинают двигаться. Вы можете посмотреть, какие там получатся поля и куда частицы будут двигаться в любой момент времени. Однако специфика этого моделирования в том, что оно не дает никаких ответов на вопросы — в этом подходе физика остается за кадром.

Огромный пласт работы — это научиться анализировать движение частиц, поля и другие данные, чтобы добраться до физики процесса. Это мы делаем сами, с помощью, например, программ на Python. У нас в подсобке стоит небольшой сервер, на котором мы проводим расчеты.

Про исследование филаментации

Вторая область работы, которой мы занимаемся, связана с распространением мощного излучения в газах и воздухе. Если пиковая мощность излучения (т.е. энергия импульса, отнесенная к его длительности) превосходит определённую величину, называемую критической мощностью самофокусировки, то происходит схлопывание пучка в тонкий световой канал или филамент*. Таким образом, даже воздух оказывается нелинейной оптической средой и обычные законы распространения света (в том числе, вытекающие из привычных и известных линейных уравнений Максвелла) уже несправедливы. Естественно, такого режима легче всего достичь, уменьшая длительность лазерного импульса.

Филаменты могут иметь очень большую длину, вплоть до сотен метров, в зависимости от превышения мощности над критической. Поэтому, хотя для исследований филаментации у нас есть стенд вдоль длинной стены лаборатории, сейчас мы «пускаем» филамент на всю длину коридора нашего корпуса. Мы часто показываем этот эксперимент на днях открытых дверей, днях науки и других мероприятиях. Вследствие нелинейности исходно узкий спектр лазерного импульса на длине волны 800 нм претерпевает катастрофическое уширение (свыше октавы) и покрывает весь видимый диапазон и часть инфракрасного. Ниже приведена фотография лазерного пучка в конце коридора, демонстрирующая такое уширение.

Что именно мы здесь исследуем? Мы пытаемся управлять свойствами филамента, потому что такая задача имеет множество практических применений. В частности, если приложить дополнительное квазистатическое электрическое поле, то можно генерировать направленное терагерцовое излучение. Это интересно для удаленной диагностики, то есть можно в одной точке получить филамент, а в другой удаленной точке получить терагерцы.

Еще у нас есть такая фишка: мы пытаемся ввести амплитудную или фазовую модуляцию в поперечную структуру пучка, чтобы получить массив филаментов, который можно использовать как волноводный канал для другого излучения, например, того же терагерцового. Кроме того, такая модуляция позволяет стабилизировать филамент и его параметры. Для диагностики массивов филаментов нами разработан уникальный акустический невозмущающий метод измерения параметров (поперечной структуры, плотности поглощенной энергии и др.).

По этому направлению исследований теорией и расчетами мы занимаемся меньше, поскольку тесно сотрудничаем с группой профессора О.Г. Косаревой, давно и успешно проводящей теоретико-расчетные исследования филаментации.

Гранты и НЦФМ

Для студентов

Перспективы в науке и не только

Безусловно, мы работаем в передовой области науки. За последние 5 лет по этой тематике получено две Нобелевские премии: в 2023 году за генерацию аттосекундных лазерных импульсов и в 2018 году за создание метода CPA (chirped pulse amplification, усиление чирпированных импульсов) для лазера. Поэтому у студентов и аспирантов получается публиковать результаты исследований в хороших журналах.

В научно-технологические компании наши исследования пока не пошли, хотя у нас есть идеи. Мы даже получали «внедренческие» патенты, но пока в России нет людей, готовых инвестировать на длительный срок, необходимых для доведения наших идей до реальных методик и приборов.

Кто такой хороший студент?

Для нас по-настоящему хороший студент — это тот, кто начал работу в лаборатории на 2–3 курсе или даже раньше, закончил аспирантуру и защитил кандидатскую диссертацию, потому что это значит, что вложенные в него силы человек вернул обратно в лабораторию. В этом случае КПД положительный.

Хорошие студенты чаще всего приходят на 1–2 курсе, не позже. На старте вопрос, что студент знает, не так важен — главное желание работать. Лаборатория работает активно: и ночью, и по воскресеньям. Были случаи, когда приходили студенты, а потом говорили: «ну нет, зачем мне это нужно, без конца тут сидеть и работать». Кто-то, конечно, уходит туда, где попроще. Но те, кто заточены на науку, остаются. У нас замечательный молодой коллектив, практически все сотрудники – мои бывшие студенты и аспиранты. Все готовы помочь, особенно если вновь пришедшие ребята показывают желание развиваться и активно встраиваются в работу лаборатории.

Знания мы дадим, главное желание работать, тем более что нам нужна физика плазмы, которую почти нигде глубоко не рассказывают, в том числе на нашей кафедре. Я читаю спецкурс на эту тему на пятом курсе, а вот в курсе общей или теоретической физики ничего нет.

Желательно, конечно, знание английского, потому что статьи по нашим темам в основном на английском. Статьи читаем и разбираем обычно совместно со студентами.

Сложно ли учиться на кафедре?

Я много раз слышал этот вопрос и всегда на него отвечаю так: спросите нормального студента кафедры или аспиранта, сложно ли ему было учиться или нет. Я всегда специально своих спрашиваю, они все и всегда говорят «нет».

Учиться надо. Честно скажу, иногда список курсов мне не нравится, бывает такое, что ребятам из моей лаборатории выбрать нечего и приходится что-то слушать не по своей тематике. С другой стороны, для общего развития это неплохо.

Получается ли у студентов совмещать учебу и работу в лаборатории?

У кого-то получается совмещать, у кого-то нет. Кто-то меньше, конечно, в лаборатории сидит, кто-то больше.

Когда мы заходили (во время интервью), встретили Катю Стародубцеву. Она магистр первого года, до этого она у нас уже три года работала. Ее работа получила диплом 2 степени на конкурсе работ бакалавров в 2023 г., и сейчас у нее 3 статьи, причём одна в Q1, другая в Q2*, где она первый автор. У неё, по-моему, одна четверка в бакалаврском дипломе. Есть и другие люди, например, ребята, которые похуже учились, но все равно много в лаборатории работали, и они тоже к концу студенчества имеют несколько хороших статей, выступления на конференциях

Важно также отметить, что активно работающих студентов мы обязательно поддерживаем материально, включаем в гранты и проекты. Обеспечить зарплату на уровне IT-компаний и банков мы, конечно, не в состоянии, но разумную прибавку, позволяющую не отвлекаться на подработки, мы стараемся обеспечить.

Какой у вас подход к научной работе студентов?

У нас такой подход: мы стараемся, чтобы у студента была задача, за которую он ответственен, которую за него никто делать не будет. То есть он участвует в каких-то общих задачах, но у него есть что-то своё. Если он ничего не сделает, то ничего сделано и не будет. А если сделает, это будет кусок общей статьи или самостоятельная статья. Если он участвует в общих задачах, то мы, естественно, тоже включаем его в соавторы.

Раньше у нас много молодых студентов и аспирантов ездили на конференции за границу, сейчас по России активно ездим. У нас хорошие связи со всеми, кто этой же тематикой занимается по всей России. Например, на «Оптику лазеров» (ICLO) в Санкт-Петербурге, которая проходит раз в 2 года, у нас обычно человек 5–7 едут.

Есть ли у вас какие-то традиции или особенности работы?

Наверное, главная особенность нашей работы состоит в том, что обычно она начинается в час дня, поэтому по утрам у нас здесь обычно тишина. Мы регулярно получаем разрешение на работу по выходным и праздничным дням, по ночам до 11–12 и так далее.

Есть еще традиция проводить неформальные встречи несколько раз в год, например под Новый год. Обычно приходит много наших бывших аспирантов, некоторые, кто уехал, тоже к нам заглядывают, если приезжают в Россию.

Контакты для связи

Андрей Борисович Савельев-Трофимов, кабинет 304 КНО

Телефон: 89161845084

E-mail: abst@physics.msu.ru

*Фемтосекунды: 1 фс =10^(-15) с

*Эффект Керра — явление изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряжённости приложенного электрического поля.

*Филаментация — это распространение пучка света в среде без дифракции. Это возможно, из-за эффекта Керра, который вызывает изменение показателя преломления в среде, что приводит к самофокусировке луча.

*Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики в Сарове.

*Перцентиль журнала. Q1 — значит журнал входит в топ 25% в соответствующей области, Q2 — с 25 до 50%, и т.д.