Массивы волоконных лазеров готовы к перевороту в физических ускорителях и антираковой терапии

Группа учёных под руководством Жерара Муру, работающая над общеевропейским проектом Международной сети когерентного усиления (International Coherent Amplification Network, ICAN), выдвинула концепцию лазерной системы нового типа, способной значительно упростить создание мощных ускорителей следующего поколения, пригодных как для крупномасштабных исследовательских задач вроде тех, что реализуются в ЦЕРНе, так и прикладных проектов, таких как протонная противораковая терапия (сегодня использующая сверхдорогое оборудование массой до 900 тонн на установку) и ядерная трансмутация.

Общая схема многоволоконного лазера (здесь и ниже иллюстрации Gerard Mourou et al.)...

Система основана на массивах из тысяч волоконных лазеров, активная среда и резонатор которых являются элементами оптического волокна. Благодаря высокому оптическому качеству излучения и небольшим габаритам массивы таких устройств способны достичь куда лучших результатов, нежели привычные одиночные установки.

Напомним: сегодня для ускорения частицы до высоких скоростей требуются километры разгонной траектории, отчего ускорители вроде Большого адронного коллайдера имеют циклопические размеры и стоят миллиарды долларов (БАК построен за $6 млрд; впрочем, это всего 27 дней войны США в Афганистане). Между тем массивы волоконных лазеров уже показали результаты по разгону частиц до значительных скоростей на... сантиметровых расстояниях (сравните с километрами БАКа), что позволит ускорителям на их основе быть исключительно миниатюрными и, следовательно, дешёвыми.

...И его практическая реализация.

Дополнительным преимуществом массивов волоконных лазеров называется значительно лучшее соотношение площади поверхности и рассеиваемой энергии. Современные фемтосекундные лазеры вроде тех, что используются для ядерного инерциального синтеза, стреляют импульсами, как правило, не чаще раза в секунду. Это связано с тем, что колоссальные энергии одного импульса должны успеть рассеяться до начала следующего, иначе лазер перегреется и выйдет из строя.

А вот у массива волоконных лазеров площадь рассеивания тепла при каждом импульсе намного больше, чем в стандартных индивидуальных установках, что снимает проблему и позволяет таким системам выдавать короткие мощные импульсы тысячи раз в секунду. Предварительные расчёты показали, что с их помощью можно придавать частицам несколько ГэВ энергии при частоте лазерных импульсов примерно 10 кГц. В сравнении с сегодняшними одиночными лазерами, применяемыми для разгона частиц, это рост на пять порядков.

Важно и то, что в заявляемых цифрах, кажется, не приходится сомневаться — ведь именно Жерар Муру стоял за достижениями 1985 года, сделавшими возможным создание фемтосекундных лазеров.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics.

Подготовлено по материалам Саутгемптонского университета.