Литва – страна лазеров. Это заявление звучит не только в видеороликах, представляющих Литву, или в контексте всемирных выставок, но и отражается в деятельности работающих здесь компаний. Без литовского лазера найти научную лабораторию было бы не так-то просто.
«В 2023 году Нобелевский лауреат по физике Анн Л’Юйе вместе с коллегами Ференцем Краусом и Пьером Агостини были удостоены награды за разработку экспериментальных методов генерации аттосекундных световых импульсов для изучения динамики электронов в веществе. Исследователи извлекли эти аттосекундные импульсы с помощью разработанных нами лазеров. Использование лазеров, разработанных литовскими учеными, в научных исследованиях высшего уровня еще раз доказывает качество литовских лазеров и важность проводимых научных исследований", - рад он. Вильнюсский университет (ВУ) Главный научный сотрудник Лазерного научно-исследовательского центра физического факультета д-р. Арунас Варанавичюс.
Мы беседуем с учёным о причинах, которые привели к возникновению лазерной науки в ВУ, тонкостях и возможностях использования фемтосекундных и аттосекундных лазеров, важности сотрудничества науки и бизнеса.
От академических задач к коммерческим продуктам
Еще в 1992 году Ученые ВУ проф. Альгиос Петрос Пискарскас, проф. Одриаус Дубиетис и ученый из Университета Бордо (Франция) д-р. Гедиминас Йонушаускас предложил и продемонстрировал параметрическое усиление чирпированных импульсов (англ. Оптическое параметрическое усиление чирпированных импульсов - OPCPA) в настоящее время является широко используемым методом получения интенсивных лазерных импульсов. Однако долгое время концепция параметрического усиления чирпированных импульсов была лишь академическим достижением.
«Приблизительно в 2005 г. Литовские компании лазерных технологий «Šviesos konversija» и «Ekspla» разработали новый тип лазера с исключительными параметрами. В Центре лазерных исследований ВУ возникла идея объединить лазеры, производимые этими компаниями, и создать надежный компактный лазерный источник, способный генерировать короткие импульсы длительностью в несколько фемтосекунд», — вспоминает исследователь.
Из робких экспериментов с попытками объединить лазеры нескольких компаний в единую систему все превратилось в довольно широкую тему научных исследований.
«Уже на начальном этапе наших исследований компании полностью поддержали нашу работу, проводимую в Центре лазерных исследований ВУ. Позже к этим работам подключились компании, задействовав свой научный, инженерный, а также финансовый потенциал. Это позволило нам создать лазер, обладающий универсальным сочетанием исключительных параметров. В свое время это был самый мощный мультиоптический циклический лазер в мире», — вспоминает ученый.
Вызов этого тысячелетия – аттосекундные системы
Чтобы лучше понять тонкости фемтосекундных лазеров, разработанных учеными ВУ, нам следует сначала разобраться с фемтосекундными и аттосекундными значениями.
«Фемтосекунда в миллион раз короче микросекунды. А микросекунда еще в миллион раз короче секунды. Давайте сравним: за одну секунду свет может облететь Землю около семи раз, а за фемтосекунду свет проходит лишь доли микрона. Между тем аттосекунда еще в тысячу раз короче фемтосекунды. Аттосекундные сигналы — самые короткие сигналы, создаваемые человеком, и надежные системы, генерирующие аттосекундные импульсы, — одна из важнейших задач лазерной науки сегодня», — представляет исследователь.
Сегодня Лазерный научный центр ВУ разрабатывает фемтосекундные лазеры, способные генерировать аттосекундные импульсы с использованием специальных методов нелинейной оптики.
«Лазеры, которые мы разрабатываем, не аттосекундные, а создают фемтосекундные оптические импульсы. С помощью источников накопления и метода генерации высоких гармоник излучение переводится в глубокий ультрафиолет или диапазон регенерации, и уже есть возможность формировать аттосекундные импульсы", - говорит доктор. А. Варанавичюс.
Фемтосекундные лазеры изначально были большими и сложными устройствами, которые требовали от исследователей степени доктора философии. Сегодня это устройства размером с чемодан, которыми студенты учатся пользоваться за несколько рабочих дней.
«Разработку аттосекундных лазеров можно сравнить с исследованием космоса и планет. Мы можем даже не мечтать о полетах на Луну или Марс, пока не выйдем на околоземную орбиту, а для вывода космического корабля на околоземную орбиту необходима ракета-носитель. Возвращаясь к примеру с лазерами, разрабатываемые нами фемтосекундные лазеры — это, можно сказать, те «носители ракет», которые могут позволить ученым выйти в диапазон генерации аттосекундных импульсов», — говорит собеседник.
Аттосекундные лазеры уже сегодня используются для изучения превращений в атомах и молекулах. Эти процессы чрезвычайно быстры, поэтому для их изучения необходимы лазеры с очень короткими импульсами.
«Мы надеемся, что в ближайшем будущем на основе данных аттосекундных лазеров мы сможем спроецировать четырехмерные записи, которые будут иметь три измерения пространства и одно измерение времени». В них мы сможем наглядно увидеть, как происходят превращения молекул. Аттосекундные импульсы рентгеновского диапазона крайне необходимы в биологических исследованиях, а также из-за существующего здесь «водного окна». Установлено, что свет длиной 4-2 нанометра не поглощается водой, поэтому с помощью очень коротких лазерных импульсов мы можем изучать, что происходит в молекуле биологических объектов", - говорит ученый.
Литовские лазеры помогают проводить научные исследования высокого уровня
Экстремальная световая инфраструктура Экстремальные Light Infrastructure - ELI) является аналогом известного ЦЕРН, только работы здесь ведутся не в области атомной физики, а в области лазеров. Эта инфраструктура состоит из трех крупных центров в Чехии, Венгрии и Румынии.
«В этих центрах находятся одни из лучших в мире лазеров для междисциплинарного сотрудничества. Это центры открытого доступа, к которым может обратиться и получить доступ учёный в любой области, имеющий хорошую идею и знающий, что для этого нужны чрезвычайно мощные лазеры», — говорит исследователь.
Сегодня в центре ELI работают даже три ультракороткоимпульсных лазера, разработанные учеными ВУ и литовскими лазерными компаниями. Это относительно компактные устройства, которые помещаются в лабораторию обычного размера и предназначены для использования не только физиками.
«Я очень горжусь талантом и способностью литовских ученых создавать продукцию такого высокого уровня. Это позволяет Литве внести свой вклад в развитие лазеров во всем мире. При разработке лазеров мы стараемся сделать так, чтобы они были полезны ученым других областей и чтобы ими было легко управлять не только физикам, но и специалистам других областей», — говорит доктор. А. Варанавичюс.
Будущее лазеров – за контролируемыми ядерными реакциями и лучшим лечением рака.
в 1992 году проф. А. П. Пискарскас сообщил, что технология параметрического усиления чирпированных импульсов может предложить нам импульсы тераваттной мощности, и в настоящее время у нас уже есть петаваттные лазеры, которые в тысячу раз мощнее. Такие лазеры могут не только применяться для дальнейших фундаментальных научных исследований, но и удовлетворять потребности экологии, энергетики, медицины и других областей.
«Одним из возможных применений мощных и высокоскоростных лазеров являются эксперименты по термоядерному синтезу. в Ливерморской лаборатории. Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса - ЛЛНЛ) исследователи уже некоторое время пытаются найти способы управления термоядерными реакциями с помощью лазеров. В конце прошлого года мы получили хорошие новости о том, что результаты исследований многообещающие и мы движемся вперед в этой области", - говорит ученый.
Лазеры высокой мощности также можно использовать для ускорения субатомных частиц. Уже сегодня у нас есть расчеты, что высоких параметров ускорения можно достичь с помощью мощных лазеров. Поэтому ускорители субатомных частиц, размеры которых сегодня порой достигают километров, можно уменьшить до размеров лаборатории.
«Это открывает совершенно новые возможности в этой сфере. Ускорители используются для создания направленных потоков ускоренных частиц, каждый из которых имеет потенциальное применение в терапии рака. Сегодня проводятся испытания, при которых людей с онкологическими заболеваниями подводят к ускорителю, где часть его излучения направляется на пораженный орган. Если нам удастся освоить производство малых ускорителей, такое оборудование могло бы стать стандартным оборудованием медицинских учреждений", - отмечает доктор. А. Варанавичюс.
в 2018 году Нобелевский лауреат Жерар Муру выдвинул идею о том, что мощные лазеры также можно использовать в экспериментах по трансмутации химических элементов.
«Результаты этих экспериментов очень многообещающие как способ обеззараживания ядерных отходов. Ядерные отходы можно превратить в безвредные элементы, подвергнув их лазерному излучению. Конечно, научные исследования в этой области еще набирают обороты, но усилий в это вкладывается очень много", - говорит ученый.
История успеха Литвы: личности, гармоничная экосистема и правильно направленные средства
Доктор А. Варанавичюс рад возможности наблюдать за развитием лазерной экосистемы в Литве практически с самого начала. По его словам, здесь очень важную роль сыграли личности.
«У нас был проф. А. П. Пискарскас, который, вернувшись с учебы в Москве, Вильнюсский университет основал лазерную школу. Ему удалось найти и привлечь действительно талантливых молодых учёных, некоторые из которых сделали академическую карьеру, а другие покинули университет, чтобы основать компании по производству лазеров. Приятно, что все лазерное сообщество Литвы и по сей день поддерживает тесную связь", - говорит интервьюер.
Доктор Пока А. Варанавичюс еще изучал лазерную физику, недостатка в молодых и увлеченных специалистах, работающих в этой области, не было. Поэтому неудивительно, что именно в это время был проведен ряд приоритетных исследований в области лазерной физики, имевших значение не только в тогдашнем Советском Союзе, но и во всем мире.
«Важную роль также играют первые литовские лазерные предприятия, созданные примерно 30 лет назад. Это стимулировало молодых людей с инженерным образованием изучать физику, поскольку они знали, что после окончания университета у них будет интересная работа, они смогут путешествовать по миру, устанавливая лазерные системы, и получат конкурентоспособную работу. зарплата", - говорит ученый.
Благосклонное отношение учреждений стало стимулом для развития области лазеров. Власти инициировали конкурсы проектов и предоставили возможность получить средства на дорогостоящие исследования.
«Я рад, что тогда власти оценили потенциал лазерного поля и предоставили финансирование для наших действительно дорогостоящих исследований. Конечно, позже мы также участвовали в международных проектах и стали членами сети «LaserLab Europe», объединяющей исследователей в этой области по всей Европе. Это позволило наладить партнерские отношения с учеными других университетов и способствовало продвижению Вильнюсского университета во всем мире", - говорит доктор. А. Варанавичюс.
Доктор А. Варанавичюс признает, что, несмотря на конкуренцию между вузом и компаниями за самых талантливых студентов, самое главное, чтобы молодые специалисты выбрали тот путь, который им интересен.
«Отчасти мы сталкиваемся с проблемой, что самые талантливые студенты не остаются в университете, и мы как будто не обеспечиваем себе смену. С другой стороны, лазерная наука не остается в стороне, поскольку литовские лазерные предприятия уже очень сильны и имеют собственные научные отделы. В них работают многие доктора наук, для которых созданы условия для продолжения проведения научных исследований. Конечно, подобные исследования больше применяются в компаниях, поскольку необходимо в короткие сроки создать работающий продукт. Университеты более свободны с этой точки зрения и степень риска здесь выше», — говорит доктор. А. Варанавичюс.
