Лазерная энергия настолько умна и элегантна, что ее грех применять в качестве орудия разрушения – академик Щербаков
Лазерная энергия настолько умна и элегантна, что ее грех применять в качестве орудия разрушения – академик Щербаков
Научный руководитель Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, академик-секретарь Отделения физических наук РАН Иван Александрович Щербаков рассказал о проблемах и достижениях отечественной лазерной физики.
На каком уровне находится лазерная физика в России?
Когда-то она находилась на очень высоком уровне. В конце октября этого года умер Валентин Павлович Гапонцев, наш российский ученый и бизнесмен, в прошлом научный сотрудник Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, впоследствии – миллиардер. Но если все наши миллиардеры – это нефть, газ, металлы, то он стал миллиардером на хайтеке. Он, по сути, с нуля создал мировую отрасль мощных волоконных лазеров, опираясь на достижения отечественной науки.
Наш нобелевский лауреат Жорес Иванович Алфёров говорил, что нобелевских премий за всю историю было вручено около 200, но в положении о Нобелевской премии написано, что она присуждается за открытия, которые привели к изменению окружающего нас мира. Алфёров говорил, что таких премий в физике было только три: открытие радиоактивности, открытие транзистора и открытие лазерно-мазерного эффекта Прохоровым, Басовым и Таунсом.
Но 90-е годы очень сильно подорвали отечественную науку. В Институте общей физики, например, как и во многих других организациях развитых стран, строились дорогостоящие экспериментальные установки для исследования лазерного термоядерного синтеза. В результате институт был вынужден заплатить деньги, чтобы эту установку на помойку вывезли, так как содержать и эксплуатировать ее стало невозможно. Кстати, сама идея лазерного термояда была предложена отечественными учеными – Николаем Геннадиевичем Басовым и Олегом Николаевичем Крохиным.
Но уровень теоретических работ в физике лазеров у нас по-прежнему высок? Эта область ведь не так сильно зависит от финансирования?
К сожалению, очень много наших теоретиков в 90-е годы уехали за рубеж. Но дело не только в этом. Как говорил Александр Михайлович Прохоров: «Это мое мнение, но я с ним не согласен». Так вот, мое мнение заключается в том, что собственно физика лазеров вышла на насыщение, то есть основатели этого направления настолько капитально поработали, что ничего принципиально нового здесь уже не родишь. Но кроме физики лазеров есть лазерная физика, то есть применение лазеров. Вот тут уже речь идет о гораздо более широком поле деятельности.
В лазерной физике у нас успехи есть?
Если говорить об успехах, я бы назвал Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде. Там создается уникальный лазерный комплекс PEARL-10 с проектной мощностью более 5 петаватт. Еще более грандиозным выглядит нижегородский проект XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies), который включен правительством в число шести проектов класса мегасайенс. XCELS при хорошем раскладе будет иметь пиковую мощность излучения 200 петаватт, что на порядок превышает сегодняшний мировой рекорд. Для сравнения, мощность всех электростанций мира сегодня составляет всего около 7,5 тераватт, то есть на пять порядков меньше. Правда, лазером эта мощность достигается в очень коротком импульсе, длительность которого измеряется фемтосекундами, то есть 10-15 секунды. Это близко ко времени одного колебания световой волны.
Российским федеральным ядерным центром – Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики в Сарове – создаётся лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу. Но, вообще говоря, я, наверное, никакой тайны не выдам, поскольку об этом открыто говорится, что такие установки на самом деле необходимы для тестирования зарядов ядерного оружия, которое десятилетиями хранится в арсеналах и надо понимать, что с ним происходит. Поэтому и установка эта сооружается в Сарове. Создание такой установки выступает гарантом выполнения договора о запрете натурных ядерных испытаний.
Сотрудники ИПФ РАН внесли значительный вклад и в эксперимент LIGO по регистрации гравитационных волн. К примеру, в числе соавторов этого открытия, а всего их около тысячи человек, был избранный в 2019 году академиком РАН Ефим Аркадьевич Хазанов, разработавший уникальные оптические элементы для комплекса LIGO.
Какие направления в лазерной физике являются сейчас самыми актуальными? Лазерный термояд?
Даже не столько термояд, как фемтосекундные лазеры. Этим сейчас занимаются во всех ведущих странах. Но если говорить про лазерный термояд, то до сих пор везде применяются лазеры, где активное вещество – стекло с примесью неодима. Активные элементы в этих установках должны быть больших объемов, недоступных лазерным кристаллам. У стекла плохая теплопроводность, это не препятствует получению высокой пиковой мощности в импульсе, но не позволяет получить высокую среднюю мощность, то есть возможная частота повторения импульсов в лазере на стекле заведомо меньше герца, иначе стекло просто не выдержит тепловой нагрузки. А если всерьез говорить о лазерном термояде, то там нужны десятки герц, недоступные для стеклянных активных элементов. Поэтому возникла идея сделать такие же большие активные элементы из оптической керамики. Компактные керамические лазеры уже созданы, в том числе и у нас. В США испытываются большие керамические активные элементы, разработанные в Японии.
В этих исследованиях уже достигнуты средние мощности в сотни киловатт, но пока время их работы измеряется секундами. При этом качество луча неудовлетворительное. Если же говорить о возможностях лазерного термояда, то с лазером на стекле, очевидно, никакой промышленной станции не создашь. Те установки, которые сейчас делают, годятся только для экспериментов, что само по себе, конечно, важно. Большие перспективы связываются с заменой традиционной ламповой накачки на диодную, что радикальным образом повышает КПД установки и в значительной степени уменьшает тепловую нагрузку. В разработке лазеров с диодной накачкой лидерство принадлежало отечественным ученым.
Продолжается ли в мире гонка за самый мощный лазер?
Прежде всего надо определить, что значит самый мощный лазер. Как я уже упоминал, существует понятие пиковой мощности. Фемтосекундные лазеры выдают пиковую мощность большую, чем у всех существующих на Земле электростанций, но в очень коротком импульсе. За счет этого можно получать плотность мощности лазерного излучения на мишени 1022 Вт/см2. Это уже выше внутриатомной! А если поднять ее до 1025 Вт/см2, о чем сегодня думают, в частности, в Сарове и Нижнем Новгороде, то появится возможность изучать целый ряд фундаментальнейших эффектов, исследование которых невозможно никакими другими способами. Это физика совершенно другого уровня. Для науки получить такую мощность очень важно, но, грубо говоря, стену вам такой лазер не проломит. Правда, как, опять же, говорил Александр Михайлович Прохоров, лазерная энергия настолько умна и элегантна, что ее грех применять в качестве орудия разрушения. Это орудие созидания.
Существует также понятие средней мощности. Лазер высокой средней мощности – это лазер либо непрерывный, либо с высокой частотой повторения импульсов, с большой энергией в импульсе. Такие лазеры используются для военных нужд или в промышленности, например, для резки, сварки и обработки металла.
Что касается военных нужд, то о наших успехах в этой области можно судить по тому факту, что именно в России впервые в мире был принят на вооружение лазерный комплекс «Пересвет», о чем сообщалось в прессе. Но в отношении промышленного применения приходится констатировать, что у нас наука, к сожалению, в промышленности в должной мере не задействована. Уже упоминавшийся выше Валентин Павлович Гапонцев миллиардером стал в Германии и США. Немецкой промышленности лазерные технологии оказались нужны, а нашей почему-то нет. Опять же не моя мысль – Жорес Алфёров говорил, что до тех пор, пока наука не будет востребована промышленностью, она должным образом развиваться не сможет.
А как обстоит дело с лазерами для медицины?
Я лично много занимался лазерами для медицины. В этой области у нас были некоторые успехи. Был создан уникальный прибор «Лазурит» для разбивания камней в органах человека самым эффективным, безболезненным и безопасным способом, основанным на глубоких физических принципах. Обычные приборы для лазерной литотрипсии дробили камни достаточно большой энергией светового луча. При этом существует вероятность повреждения мягких тканей с непредсказуемыми последствиями для пациента. В «Лазурите» использован тонкий физический эффект, который был открыт Прохоровым с сотрудниками. Это так называемый светогидравлический эффект. Камень разрушается, потому что лазерный импульс небольшой энергии, но с определенной частотой повторения порождает ударную волну, которая камень разрушает, а через мягкие ткани проходит беспрепятственно. Физика красивейшая!
Но конкурировать в области лазерной медицины с компанией того же Валентина Павловича Гапонцева, имеющей мощное производство, оказалось практически невозможно. Отсутствие финансирования и производственных площадей позволяют лишь заключить договор на разработку с обещанием, что договор будет выполнен. Конечно, медицинским учреждениям гораздо удобнее купить готовый импортный прибор, чем ждать изготовления отечественного.
На ближайшее общее собрание Отделения физических наук, которое будет посвящено медицине, отобрано несколько докладов. В частности, один из докладов я попросил сделать на такую важную тему, как физические методы лечения сердечной аритмии. Как оказалось, операции в нашей стране делаются на иностранном оборудовании. Промышленности высокотехнологичного медицинского оборудования у нас в стране, практически, нет. Существуют только единичные уникальные разработки.
В целом положение науки в последние годы улучшается?
Если сравнивать сегодняшние дни с 90-ми годами, когда приходил дядя Вася с гаечным ключом и мог отключить отопление, воду, электричество, то сейчас все вроде стало намного лучше: электричество нам не отключают, зарплату, хоть и скромную, исправно переводят, но должного развития нет.
Физика лазеров, как и лазерная физика, в значительной степени родилась в нашей стране, научный фундамент в этой области в СССР был заложен чрезвычайно мощный, но на нем надо что-то строить.
Беседовал Леонид Ситник, редакция сайта РАН.
На каком уровне находится лазерная физика в России?
Когда-то она находилась на очень высоком уровне. В конце октября этого года умер Валентин Павлович Гапонцев, наш российский ученый и бизнесмен, в прошлом научный сотрудник Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, впоследствии – миллиардер. Но если все наши миллиардеры – это нефть, газ, металлы, то он стал миллиардером на хайтеке. Он, по сути, с нуля создал мировую отрасль мощных волоконных лазеров, опираясь на достижения отечественной науки.
Наш нобелевский лауреат Жорес Иванович Алфёров говорил, что нобелевских премий за всю историю было вручено около 200, но в положении о Нобелевской премии написано, что она присуждается за открытия, которые привели к изменению окружающего нас мира. Алфёров говорил, что таких премий в физике было только три: открытие радиоактивности, открытие транзистора и открытие лазерно-мазерного эффекта Прохоровым, Басовым и Таунсом.
Но 90-е годы очень сильно подорвали отечественную науку. В Институте общей физики, например, как и во многих других организациях развитых стран, строились дорогостоящие экспериментальные установки для исследования лазерного термоядерного синтеза. В результате институт был вынужден заплатить деньги, чтобы эту установку на помойку вывезли, так как содержать и эксплуатировать ее стало невозможно. Кстати, сама идея лазерного термояда была предложена отечественными учеными – Николаем Геннадиевичем Басовым и Олегом Николаевичем Крохиным.
Но уровень теоретических работ в физике лазеров у нас по-прежнему высок? Эта область ведь не так сильно зависит от финансирования?
К сожалению, очень много наших теоретиков в 90-е годы уехали за рубеж. Но дело не только в этом. Как говорил Александр Михайлович Прохоров: «Это мое мнение, но я с ним не согласен». Так вот, мое мнение заключается в том, что собственно физика лазеров вышла на насыщение, то есть основатели этого направления настолько капитально поработали, что ничего принципиально нового здесь уже не родишь. Но кроме физики лазеров есть лазерная физика, то есть применение лазеров. Вот тут уже речь идет о гораздо более широком поле деятельности.
В лазерной физике у нас успехи есть?
Если говорить об успехах, я бы назвал Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде. Там создается уникальный лазерный комплекс PEARL-10 с проектной мощностью более 5 петаватт. Еще более грандиозным выглядит нижегородский проект XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies), который включен правительством в число шести проектов класса мегасайенс. XCELS при хорошем раскладе будет иметь пиковую мощность излучения 200 петаватт, что на порядок превышает сегодняшний мировой рекорд. Для сравнения, мощность всех электростанций мира сегодня составляет всего около 7,5 тераватт, то есть на пять порядков меньше. Правда, лазером эта мощность достигается в очень коротком импульсе, длительность которого измеряется фемтосекундами, то есть 10-15 секунды. Это близко ко времени одного колебания световой волны.
Российским федеральным ядерным центром – Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики в Сарове – создаётся лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу. Но, вообще говоря, я, наверное, никакой тайны не выдам, поскольку об этом открыто говорится, что такие установки на самом деле необходимы для тестирования зарядов ядерного оружия, которое десятилетиями хранится в арсеналах и надо понимать, что с ним происходит. Поэтому и установка эта сооружается в Сарове. Создание такой установки выступает гарантом выполнения договора о запрете натурных ядерных испытаний.
Сотрудники ИПФ РАН внесли значительный вклад и в эксперимент LIGO по регистрации гравитационных волн. К примеру, в числе соавторов этого открытия, а всего их около тысячи человек, был избранный в 2019 году академиком РАН Ефим Аркадьевич Хазанов, разработавший уникальные оптические элементы для комплекса LIGO.
Какие направления в лазерной физике являются сейчас самыми актуальными? Лазерный термояд?
Даже не столько термояд, как фемтосекундные лазеры. Этим сейчас занимаются во всех ведущих странах. Но если говорить про лазерный термояд, то до сих пор везде применяются лазеры, где активное вещество – стекло с примесью неодима. Активные элементы в этих установках должны быть больших объемов, недоступных лазерным кристаллам. У стекла плохая теплопроводность, это не препятствует получению высокой пиковой мощности в импульсе, но не позволяет получить высокую среднюю мощность, то есть возможная частота повторения импульсов в лазере на стекле заведомо меньше герца, иначе стекло просто не выдержит тепловой нагрузки. А если всерьез говорить о лазерном термояде, то там нужны десятки герц, недоступные для стеклянных активных элементов. Поэтому возникла идея сделать такие же большие активные элементы из оптической керамики. Компактные керамические лазеры уже созданы, в том числе и у нас. В США испытываются большие керамические активные элементы, разработанные в Японии.
В этих исследованиях уже достигнуты средние мощности в сотни киловатт, но пока время их работы измеряется секундами. При этом качество луча неудовлетворительное. Если же говорить о возможностях лазерного термояда, то с лазером на стекле, очевидно, никакой промышленной станции не создашь. Те установки, которые сейчас делают, годятся только для экспериментов, что само по себе, конечно, важно. Большие перспективы связываются с заменой традиционной ламповой накачки на диодную, что радикальным образом повышает КПД установки и в значительной степени уменьшает тепловую нагрузку. В разработке лазеров с диодной накачкой лидерство принадлежало отечественным ученым.
Продолжается ли в мире гонка за самый мощный лазер?
Прежде всего надо определить, что значит самый мощный лазер. Как я уже упоминал, существует понятие пиковой мощности. Фемтосекундные лазеры выдают пиковую мощность большую, чем у всех существующих на Земле электростанций, но в очень коротком импульсе. За счет этого можно получать плотность мощности лазерного излучения на мишени 1022 Вт/см2. Это уже выше внутриатомной! А если поднять ее до 1025 Вт/см2, о чем сегодня думают, в частности, в Сарове и Нижнем Новгороде, то появится возможность изучать целый ряд фундаментальнейших эффектов, исследование которых невозможно никакими другими способами. Это физика совершенно другого уровня. Для науки получить такую мощность очень важно, но, грубо говоря, стену вам такой лазер не проломит. Правда, как, опять же, говорил Александр Михайлович Прохоров, лазерная энергия настолько умна и элегантна, что ее грех применять в качестве орудия разрушения. Это орудие созидания.
Существует также понятие средней мощности. Лазер высокой средней мощности – это лазер либо непрерывный, либо с высокой частотой повторения импульсов, с большой энергией в импульсе. Такие лазеры используются для военных нужд или в промышленности, например, для резки, сварки и обработки металла.
Что касается военных нужд, то о наших успехах в этой области можно судить по тому факту, что именно в России впервые в мире был принят на вооружение лазерный комплекс «Пересвет», о чем сообщалось в прессе. Но в отношении промышленного применения приходится констатировать, что у нас наука, к сожалению, в промышленности в должной мере не задействована. Уже упоминавшийся выше Валентин Павлович Гапонцев миллиардером стал в Германии и США. Немецкой промышленности лазерные технологии оказались нужны, а нашей почему-то нет. Опять же не моя мысль – Жорес Алфёров говорил, что до тех пор, пока наука не будет востребована промышленностью, она должным образом развиваться не сможет.
А как обстоит дело с лазерами для медицины?
Я лично много занимался лазерами для медицины. В этой области у нас были некоторые успехи. Был создан уникальный прибор «Лазурит» для разбивания камней в органах человека самым эффективным, безболезненным и безопасным способом, основанным на глубоких физических принципах. Обычные приборы для лазерной литотрипсии дробили камни достаточно большой энергией светового луча. При этом существует вероятность повреждения мягких тканей с непредсказуемыми последствиями для пациента. В «Лазурите» использован тонкий физический эффект, который был открыт Прохоровым с сотрудниками. Это так называемый светогидравлический эффект. Камень разрушается, потому что лазерный импульс небольшой энергии, но с определенной частотой повторения порождает ударную волну, которая камень разрушает, а через мягкие ткани проходит беспрепятственно. Физика красивейшая!
Но конкурировать в области лазерной медицины с компанией того же Валентина Павловича Гапонцева, имеющей мощное производство, оказалось практически невозможно. Отсутствие финансирования и производственных площадей позволяют лишь заключить договор на разработку с обещанием, что договор будет выполнен. Конечно, медицинским учреждениям гораздо удобнее купить готовый импортный прибор, чем ждать изготовления отечественного.
На ближайшее общее собрание Отделения физических наук, которое будет посвящено медицине, отобрано несколько докладов. В частности, один из докладов я попросил сделать на такую важную тему, как физические методы лечения сердечной аритмии. Как оказалось, операции в нашей стране делаются на иностранном оборудовании. Промышленности высокотехнологичного медицинского оборудования у нас в стране, практически, нет. Существуют только единичные уникальные разработки.
В целом положение науки в последние годы улучшается?
Если сравнивать сегодняшние дни с 90-ми годами, когда приходил дядя Вася с гаечным ключом и мог отключить отопление, воду, электричество, то сейчас все вроде стало намного лучше: электричество нам не отключают, зарплату, хоть и скромную, исправно переводят, но должного развития нет.
Физика лазеров, как и лазерная физика, в значительной степени родилась в нашей стране, научный фундамент в этой области в СССР был заложен чрезвычайно мощный, но на нем надо что-то строить.
Беседовал Леонид Ситник, редакция сайта РАН.