Рассуждает лауреат Государственной Премии России за 2009 год, заведующий лабораторией Института ядерной физики им. Г.И.Будкера, доктор физико-математических наук Николай Александрович Винокуров.
О том, могло ли человечество миновать изобретение лазера:
- Если сейчас вычеркнуть из нашей жизни лазеры, мы сразу же это почувствуем: не сможем, например, считать ни один компакт-диск на компьютере или проигрывателе. Появление лазера было обусловлено глобальным процессом развития техники, множеством объективных предпосылок. Мыслители, фантасты, теоретики предсказывали появление мощных лучей еще в 20-х годах ХХ столетия – Герберт Уэллс, например, или Алексей Толстой в "Гиперболоиде инженера Гарина". Но почему это произошло не в 1920-е, а в 1950-е годы? Не готово было, на самом деле, очень многое. Для начала – не было научных основ, теории синхронизации отдельных излучателей. Само явление вынужденного излучения было предсказано еще в работе Альберта Энштейна 1916 года, но дальше требовались технические основы для реализации его идей, например, устройства для создания инверсной заселенности активной среды (каковым в рубиновом лазере, например, была мощная лампа-вспышка). Необходимыми шагами вперед стали физика газового разряда и газоразрядные лампы, потом – полупроводниковые технологии. Первые, опытные образцы транзисторов, напомню, появились только в конце 1940-х годов. Но логический путь к лазеру на свободных электронах шел как раз не от них, а от обычных вакуумных радиоламп, в которых электроны испускаются катодом. Радиосвязь пошла по пути укорочения длин волн (повышения частот), для чего были созданы приборы сантиметрового диапазона. Понадобилось придумать что-то новое. Появились лампы бегущей волны, магнетроны, клистроны: все они использовали электронный пучок и его группировку, когда одни электроны ускоряются, а другие - замедляются, и пучок разбивается на сгустки, следующие с частотой входного сигнала. Так прогресс пришел к прерывистому электронному пучку, приведшему, в конце концов, к лазеру на свободных электронах – его предками можно считать обычные радиолампы и всю сверхвысокочастотную технику.
О дрессировке электронных пучков:
- В 1947-х году Виталий Лазаревич Гинзбург предложил идею ондулятора – устройства, в котором электрон движется по волнообразной траектории, за счет чего частица излучает. Цели ставились другие – детектирование космических лучей, но потом ондулятор оказался необходимым элементом генераторов коротковолнового электромагнитного излучения. Затем в США создали устройство (Р. Филипс, 1960), которое называлось убитрон – тоже лампа бегущей волны, но в нее как раз был встроен ондулятор. В некотором смысле, это был уже лазер на свободных электронах, но частицы в нем имели достаточно низкую энергию. Прибор, тем не менее, выдавал мегаватты пиковой мощности, но не понадобился заказчикам – военному ведомству, которое интересовал для применения в радиолокации. В Америке же Ганс Мотц (1951) получил ондуляторное излучение в видимом диапазоне длин волн, но без синхронизации (группировки) электронов. С конца семидесятых годов ондуляторы стали устанавливать на электронные накопители для получения интенсивного рентгеновского излучения.
Возвращаясь к технике приготовления электронных пучков, замечу, что она развивалась прежде всего в интересах СВЧ–электроники, но качеству пучка особого внимания не уделялось. Это понадобилось, когда приступили к созданию ускорителей: стало понятно, что необходимо контролировать и размеры пучка, и разбросы электронов по продольным и поперечным скоростям. Ускорители же применяются для разных целей, вплоть до резки металла, требующей фокусировки пучка в маленькое пятно. В ускорительных технологиях за некоторое время был достигнут прогресс, если так можно выразиться, на всем пути электронного пучка. Первый, как таковой, лазер на свободных электронах (ЛСЭ) был создан Джоном Мэйди в Стэнфордском университете (1976), прибор работал с длиной волны 3 микрона. Это было достигнуто за счет трех технических достижений: американцы сделали хороший сверхпроводящий ондулятор, использовали один из первых в мире сверхпроводящих ускорителей и качественный источник электронов. А главное – всё было правильно рассчитано, поэтому лазер и заработал. Как только работоспособность ЛСЭ была продемонстрирована, в разных странах мира появился интерес к этому вопросу, и у нас тоже.
О специфике ЛСЭ:
- Любой лазер – это источник когерентного излучения. Если та же лампа накаливания излучает свет хаотично и атомы нити накаливания никак не влияют друг на друга, то в лазере происходит синхронизированное излучение, в результате чего его мощность возрастает. Принципиальное отличие лазера – именно то, что излучающие частицы "шагают в ногу". Еще одна особенность лазерного излучения – это определенная длина испускаемых волн. Ранее распространенный гелий-неоновый лазер излучал на волне 0,63 микрона, это был приятный красно-оранжевый свет, а рубиновый лазер – на 0.68 микрона, свет был насыщенно красным. Были и по сей день применяются очень мощные лазеры на двуокиси углерода, они излучают волны длиной 10.6 микрона, это инфракрасное излучение. Вообще, длина волны излучения лазера связана с особенностями атомов и молекул применяемого вещества. Лазеры же на свободных электронах отличаются тем, что они могут испускать волны не фиксированной, а практически любой длины. В этом лазере электрон излучает в движении через специальную магнитную систему – ондулятор, которая создает периодическое магнитное поле. Если мы сделаем определенный период ондулятора, то длина волны излучения будет пропорциональна этому периоду. Еще длина волны этого, так называемого ондуляторного, излучения зависит от энергии электронов, пролетающих через ондулятор. Манипулируя такими переменными величинами, как период ондулятора и энергия электронов, мы можем добиться той или иной длины волны на выходе.
Заметим, что электроны в этой установке должны двигаться синхронно – тогда это и будет настоящий ЛСЭ, лазер на свободных электронах. Сейчас ЛСЭ освоен диапазон длин волн от 1 миллиметра до 1 ангстрема, а это – семь десятичных порядков, то есть десять миллионов. Никакой другой лазер на это не способен. Видимый, кстати, диапазон находится в пределах от 400 до 700 нанометров, это очень узкий отрезок для всей линейки частот излучений. Важно то, что видимый диапазон – это как раз полоса прозрачности атмосферы. Однако ЛСЭ в видимом диапазоне не очень интересны, так как в нем работают современные лазеры других конструкций – например, полупроводниковые.
ЛСЭ преобразуют энергию электронного пучка в энергию электромагнитного излучения. Люди в течение уже более 50 лет занимаются электронными пучками в других целях, я говорю об ускорителях. За это время мы научились хорошо обращаться с электронными пучками. Правда, есть и одна неприятная особенность: ускоритель – установка достаточно громоздкая, самые компактные (и, соответственно, маломощные) из них едва вмещаются в комнату, а размеры больших установок - сотни метров. Наш ускоритель, например, занимает приличного размера здание. Поэтому ЛСЭ применяются там, где другие лазеры непригодны – в субмиллиметровом (меньше миллиметра) или, в других единицах – терагерцовом диапазоне. Другой диапазон, доступный только ЛСЭ – рентгеновский. Другие лазеры такое излучение производить не могут, за исключением тех, которые, к счастью, остались в прошлом – лазеров с ядерной накачкой. Они требовали в качестве источника энергии ядерных взрывов.
О решении философской проблемы:
- Наша работа над ЛСЭ началась с идей, родившихся у нас с академиком Александром Николаевичем Скринским. Это оптический клистрон, а затем - разные конструкции ондуляторов на постоянных магнитах, которые потом стали применять во всем мире. Последнюю версию ЛСЭ на накопителе ВЭПП-3 мы запустили в 1988 году. На этой установке мы смогли получить рекордно коротковолновое для ЛСЭ излучение с длиной волны в 0,24 микрона и рекордно малую ширины линии излучения. К 1992 г. все необходимые эксперименты были закончены: все, что хотели, мы сделали. Затем ИЯФ продал эту установку в США, в университет Дюка, где она работала долгое время на другом накопителе для получения жестких гамма-квантов для ядерной физики, да и по сей день некоторые ее узлы там применяются.
Возвращаясь к экспериментам конца восьмидесятых - начала девяностых надо отметить, что у нас были интересные работы по изучению поведения одного электрона в накопителе. Обычное число электронов в накопителе – 10 в одиннадцатой степени, а нам надо было оставить всего один. В систему для этого вводят металлическую, обычно медную, деталь, на которой постепенно оседают "лишние" частицы. Зачем мы это делали? Работа с единичным объектом – вообще, очень интересный тип экспериментов. Известны, например, работы с одним атомом в магнитной ловушке, которые доказали на практике феномен квантовых скачков. Когда мы работали с единичным электроном, то могли регистрировать его поведение. Оказалось, что он движется хаотически, будто бы подвергаясь спонтанным внешним толчкам. Но электрон был помещен в вакуум и толкать его было нечему (магнитное поле было постоянным). Таким образом, мы воочию убедились в реальности квантовых флуктуаций торможения излучением. Это случайное блуждание электронов визуально напоминало броуновское движение молекул. Однако природа этих случайных движений различна. Траектория броуновского движения не является «истинно случайной», т. к. в принципе, зная начальные скорости молекул жидкости, можно рассчитать как движение этих молекул, так и движение частицы под их ударами. «Случайность» броуновского движения связана с нашим незнанием микроскопических начальных условий (микроскопических параметров системы). В случае движения электрона все начальные условия (микроскопические параметры) известны (все осцилляторы электромагнитного поля находятся в основном состоянии), но движение электрона принципиально непредсказуемо. Это демонстрирует принципиальную непредсказуемости движения материи: в природе, как оказалось существуют реально наблюдаемые истинно случайные процессы. Детерминизм Лапласа, предполагавший предсказуемость всех явлений за счет знания законов движения и начальных условий, получил явный контрпример.
О лазере, принесшем лавры:
- Параллельно с завершением этих экспериментов, мы занимались разработкой более мощного лазера на свободных электронах, причем в процессе конструирования установка несколько уменьшилась в размерах. Ее особенностью стал новый ускоритель, созданный для рекуперации - использования энергии «отработанных» электронов. Отработанный пучок не поглощается твердотельной мишенью, а замедляется и возвращает энергию в ускоряющую систему. А. Н. Скринский и я предложили использовать такой ускоритель-рекуператор для ЛСЭ. При создании ускорителя-рекуператора мы сразу заложили принцип модульности: в зависимости от количества задействованных модулей мы получали бы ту или иную энергию электронов. Часть модулей была уже изготовлена, когда государственное финансирование иссякло и работы приостановились.
Чтобы продолжить задуманное, был сделан проект установки с меньшей энергией электронного пучка и большей длиной волны излучения ЛСЭ – той, что работает у нас сегодня. По размеру он тоже оказался меньше исходного в десять раз. Но это была не только экономия: мы стали сотрудничать с ведущими исследователями Института химической кинетики и горения, Юрием Николаевичем Молиным и Александром Константиновичем Петровым, узнавшими о наших возможностях и рассказавших об их применениях в фотохимии. Лазерная фотохимия изучает течение химических реакций под действием лазерного излучения, которое возбуждает некоторые молекулярные переходы. При отсутствии необходимых лазеров нашим химикам приходилось для экспериментов синтезировать вещества под те лазеры, которые были доступны. Проект стал междисциплинарным и межинститутским. Но денег по-прежнему не было. Мы сделали компактный лазер на свободных электронах для Южной Кореи, продали еще несколько установок по зарубежным заказам и использовали часть полученных средств для продолжения строительства. Потом подоспела финансовая помощь Сибирского отделения – на протяжении нескольких лет мы получали деньги по интеграционным проектам. Первая очередь нового ЛСЭ была запущена в 2003 году, примерно через год полученное излучение было доставлено пользователям. В прошлом году мы запустили вторую очередь, в нынешнем – вывели излучение второй очереди на пользовательские станции. Сегодняшним потребителям полукиловаттной мощности установки хватает, но мы собираемся наращивать и этот показатель за счет модернизации электронной пушки.
Подготовил Андрей Соболевский
