Сверхсильные световые поля — нелинейные взаимодействия со структурно-неоднородными мишенями и атомно-молекулярными кластерами из сверхкритических состояний, генерация рентгеновского излучения и высокоэнергетических частиц

Развитие техники генерации сверхинтенсивных (более 1016 Вт/см2) фемтосекундных (порядка 10-13 сек и менее) лазерных импульсов открыло совершенно новые возможности в области нелинейной оптики и лазерной физики. Стало доступным при взаимодействии лазерного излучения с веществом достижение режимов сверхвысоких давлений и температур, реализации экстремально высоких значений ускоряющего поля, появились возможности создания в лабораторных условиях источников яркого рентгеновского излучения сверхкороткой длительности и высокоэнергетических частиц. При интенсивностях более 1018 Вт/см2 взаимодействие лазерного излучения с веществом становится сильно зависимым от релятивистского характера электрона.

В настоящее время появились условия для проведения исследований экстремальных состояний вещества, возникающих под действием ультрарелятивистских лазерных полей. Интерес к ним связан моделированием астрофизических и ранних космологических явлений в лабораторных условиях. Таким образом, научное сообщество стало свидетелем появления нового направления, которое можно определить как экстремальная нелинейная оптика и лазерная физика.

В 1983 году профессором С.А. Ахмановым была поставлена задача разработки и создания на кафедре общей физики и волновых процессов технически сложной, мощной фемтосекундной XeCl эксимерной лазерной системы.

Результаты этой пионерской работы, в которой участвовала группа аспирантов и сотрудников кафедры (Ахманов С.А., Гордиенко В.М., Джиджоев М.С., Краюшкин С.В., Кудинов И.А., Магницкий С.А., Платоненко В.Т., Попов В.К.), были опубликованы в журнале Квантовая электроника (1986 г.) практически одновременно с первой публикацией группы ученых из IBM (США). Развитие этих исследований привело к тому, что на кафедре ОФиВП было создано новое поколение лазерных систем, работающих в УФ, видимом и среднем (десятимикронном) диапазонах и генерирующих импульсы сверхкороткой длительности. Этому способствовали, конечно, и достижения других сотрудников кафедры в области нелинейной оптики и лазерной физики (рост кристаллов для нелинейно-оптических преобразователей частоты — Дъяков В.А., Ковригин А.И., Прялкин В.И., генерация сверхкоротких лазерных импульсов — Першин С.М., Подшивалов А.А.). Все это позволило в последующее десятилетие усилиями ученых кафедры ОФиВП внести существенный вклад в разработку такого развивающегося направления в лазерной физике как вещество в сверхсильных световых полях.

В этот период в лаборатории сверхсильных световых полей были достигнуты такие ключевые и оригинальные результаты, как спектрально согласованная генерация мягкого РИ (48 А) длительностью около 5x10-12 с. Была достигнута интенсивность 5 ГВт/см2 с использованием в качестве управляющих элементов резонансных многослойных рентгеновских зеркал (разработаны в группе ныне академика С.В. Гапонова, ИПФ РАН). Получена эффективная генерация рентгеновского излучении с использованием наноструктурированного пористого кремния (разработан группой профессора Кашкарова П.К.). В этих экспериментах использовалось фемтосекундного лазерное излучение с интенсивностью 1-10 ПВт/см2, что позволяло инициировать нелинейный процесс возникновения приповерхностной высокотемпературной плазмы, являющейся источником рентгеновского излучения сверхкороткой (~10-12 c) длительности. Результаты упомянутых исследований отражены в публикациях журнала УФН (Гордиенко В.М., Коротеев Н.И., Платоненко В.Т. — 1993 г., Гордиенко В.М., Савельев А.Б. — 1999 г.). Несколько позже были предложены и выполнены первые эксперименты по фемтосекундному лазерному возбуждению низколежащего ядерного уровня Ta и генерации моноэнергетических нейтронов в приповерхностной плазме твердотельных мишеней. Эти пионерские результаты были опубликованы в обзорной статье журнала «Квантовая электроника» (Андреев А.В., Гордиенко В.М., Савельев А.Б. — 2001 г.). Существенно, что за период времени с начала работ по проекту «Сверхсильные световые поля» результаты проведенных на кафедре ОФиВП оригинальных исследований были представлены во многих отечественных и зарубежных изданиях, доложены на многочисленных международных конференциях. Они легли в основу ряда кандидатских и двух докторских диссертаций (Годиенко В.М., Нелинейные взаимодействия интенсивного пико- и фемтосекундного лазерного излучения с веществом в сильно неравновесном состоянии — 1998 г.; Савельев А.Б., Управление свойствами плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических ядерных процессов — 2004 г.). Наработанный опыт в сложные 90-е годы прошлого века и имеющиеся идеи позволили успешно развиваться лаборатории и в последующем.

В настоящее время на кафедре ОФиВП на базе фемтосекундной титан-сапфировой лазерной системы успешно функционирует лаборатория релятивистской лазерной плазмы (руководитель профессор Савельев А.Б.).

Выполняются исследования, в основе которых лежит использование лазерных пучков релятивистской интенсивности (6x10^18 Вт/см2), ее инфраструктура отвечает современным достижениям в области нелинейной оптики, лазерной физики, сотрудниками используются современные методы диагностики состояния вещества.

Отвечая вызовам времени, научные исследования на кафедре ОФиВП по проблеме сверхсильных световых полей ориентированы на использование релятивистских лазерных пучков с целью поиска возможностей создания новых методов и технологий генерации в импульсно-периодическом режиме спектрально яркого рентгеновского излучения, а также ускоренных до МэВ-ного уровня электронных пучков, потоков моноэнергетических и иных нейтронных пучков. Это важно не только в плане решения фундаментальных задач, но и для создания критически важных технологий. Подходы опираются на применение нового класса лазерно-плазменных объектов, таких как структурно-неоднородные мишени субкритической плотности и атомно-молекулярные кластеры, формируемые из сверхкритических состояний. В качестве иллюстрации сказанного приведем несколько пионерских результатов, полученных в последнее время.

Экспериментально обнаружено, что нелинейный показатель преломления CO2 и Xe достигает максимального значения при сверхкритическом состоянии в области Видома, которой соответствуют максимальные флуктуациям плотности и связан с развитием процесса кластерообразования. Последнее существенно для формирования сверхзвуковых кластерных струй в интересах генерации лазерно-плазменной высокоэнергетических ионов и нейтронов (опубликовано в журнале Optics Express в 2018 г.). Впервые зарегистрирован рентгеновский спектр наноплазмы в диапазоне энергий 5—100 кэВ и достигнута максимальная энергия ускоренных электронов 2 МэВ в пучке с расходимостью 130±50 мрад при облучении крупных кластеров криптона лазерным пучком релятивистской интенсивности (опубликовано в журналах «Квантовая электроника» в 2021 г. и Laser Phys. Letters в 2019 г.). Обнаружено, что облучение релятивистскими лазерными пучками наноструктурированной мишени со столбиками субволнового размера (~100 нм в диаметре) обеспечивает значительный (до 250 кэВ) прирост температуры горячих электронов плазмы и их числа по сравнению с получаемыми в случае плоской мишени (опубликовано в журнале «Квантовая электроника» в 2020 г.). Обнаружен рост выхода быстрых нейтронов при возбуждении ядерной DD-реакции в процессе взаимодействия релятивистски интенсивного (свыше 1018 Вт/см2) сверхкороткого лазерного импульса с дейтерированной объемно-структурированной на масштабе длины волны мишенью с пониженной средней плотностью с эффективностью 7?104 нейтрон/Дж вложенной энергии (опубликовано в журнале «Квантовая электроника» в 2021 г.). Впервые продемонстрирована генерация нейтронов в DD-реакции с эффективностью ~ 6x104 нейтрон/Дж при воздействии релятивистских фемтосекундных лазерных импульсов на субмикронные агрегаты, созданными из однофазной сверхкритической смеси СО2+CD3OD (направлена в журнал Laser Phys. Letters в 2022 г.).

В заключение отметим, что перманентное развитие работ лазерного инициирования экстремальных состояний вещества в значительной степени обязано благоприятной атмосфере традиционно существующей на кафедре, а также участию молодых ученых, прежде всего аспирантов и студентов. Всему этому способствовали не только публикации в ведущих мировых изданиях, но и плодотворные обсуждения на многих международных конференциях, одним из инициаторов которых был ныне нобелевский лауреат по физике профессор Ж. Муру. Первая конференция (и ряд последующих) по сверхсильным полям в плазме состоялась в Варенне (17.08—02.09, 1997, Италия), участниками которой были хорошо известные в настоящее время ученые в этой области знаний (см. фото), в том числе и я, в качестве приглашенного докладчика, представляющего физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.

Заведующий лабораторией нелинейной оптики

имени Р.В. Хохлова профессор В.М. Гордиенко

Ж. Муру (Университет Мичиган, ныне нобелевский лауреат по физике за метод усиления чирпированных импульсов, 2018 г.) — 3-й ряд, четвертый справа; А.М. Сергеев (ИПФ РАН, ныне Президент РАН) — 4-й ряд, второй справа; М. Лонтано (Институт физики плазмы, Италия) — 1-й ряд, второй слева; Ю. Мейер тер Вен (Макс-Планк Институт, ФРГ) — 1-й ряд, в центре; Ф. Пегораро (Университет г. Пиза, Италия) — 2-й ряд, третий справа; Х. Такума (Центр передовых фотонных технологий, Япония) — 2-й ряд в центре; С.В. Буланов (ИОФ РАН) — 5-й ряд, первый справа; Т. Дитмайер (Империал Колледж, Великобритания) — 6-ой ряд, третий слева; И.В. Погорельский (Брукхейвенская национальная лаборатория, США ) — 6-й ряд, третий справа; В.М. Гордиенко (МГУ) — 6-й ряд, второй справа; Д. фон-дер Линде (университет Эссен, ФРГ) — последний ряд, первый справа