Фемтосекундный феномен. Современные лазеры справятся с болезнями не хуже мощных ускорителей.

— Для начала, видимо, надо напомнить, что фемтосекунда — это отрезок времени, равный 10 в минус 15-й степени секунды. Генерировать, изучать и использовать импульсы длительностью в несколько фемтосекунд позволяют фемтосекундные оптические приборы, лазерные системы. Но не только в этом их уникальность. Намного интереснее, на мой взгляд, следующее. Из школьного курса физики мы знаем, что свет (в том числе лазерное излучение) — это электромагнитная волна. Значит, у нее должна быть определенная длина. Например, у волн на поверхности воды — это расстояние между верхушками соседних гребней. Несложно понять, что если у вас есть какой-то волновой импульс, то он не может быть короче, чем длина волны. 

Длина фемтосекундных импульсов может составлять всего один-два микрона. Это в десять раз меньше толщины человеческого волоса, и это всего одна-две длины волны лазерного излучения. Именно поэтому фемтосекундные импульсы называют еще ультракороткими, а самые короткие из них, содержащие только одну-две длины волны, предельно короткими. И это фундаментальный предел оптических технологий. Ничего более короткого с помощью обычных лазеров получить невозможно. Сейчас ученые умеют получать электромагнитные импульсы, длительность которых меньше одной фемтосекунды, их называют аттосекундными, но для этого исследователям приходится работать с ультрафиолетовым излучением, длина волны которого в десятки раз меньше микрона.

Естественно, что, имея такой инструмент, можно придумать огромное количество приложений, в которых востребованы его уникальные свойства. Одно из самых известных — фемтохимия. Пионер в этой области Ахмед Зевейл был награжден за свои работы Нобелевской премией по химии 1999 года.

Что такое фемтохимия? Это исследование химических реакций с помощью фемтосекундных лазеров. Дело в том, что 100 фемтосекунд — это приблизительно тот промежуток времени, за который происходит превращение одной молекулы в другую в ходе химической реакции. Поэтому, имея импульс, который короче 100 фемтосекунд, можно как бы сфотографировать молекулу при ее превращениях. Несколько таких снимков, сделанных в разные отрезки времени, позволяют восстановить весь процесс реакции. А значит, узнать, как она происходит, и понять, что можно изменить, чтобы ее ускорить или замедлить — в зависимости от того, что вам надо.

Еще интереснее то, что достаточно мощные фемтосекундные лазеры могут изменять ход химических реакций. Воздействуя на молекулы при их превращениях, излучение может подавлять какие-то реакции, или, наоборот, ускорять их, или даже приводить к совершенно новому результату.

— Надеемся на это. В нашей группе мы развиваем важное направление фемтосекундной оптики, связанное с использованием лазеров сверхвысоких пиковых мощностей. Дело в том, что с момента своего изобретения лазеры все время двигались в сторону увеличения мощности излучения. И это вполне объяснимо, так как они — очень эффективные генераторы света. Их излучение легко фокусируется и позволяет достигать высоких концентраций электромагнитной энергии.

Чтобы увеличить мощность импульса, можно не только увеличивать его энергию, но и уменьшать длительность. И здесь мы приходим к связи между сверхмощными лазерными системами и ультракороткими лазерными импульсами. В общем, чем мощнее лазерный импульс, тем он короче. В итоге удается получить предельно малую длительность — фемтосекундную.

Самый мощный в России и один из самых мощных в мире фемтосекундный лазер находится в Институте прикладной физики РАН. Он основан на уникальной схеме, которая для таких систем никем и никогда раньше не применялась. Большинство других подобных систем используют в качестве главного элемента кристалл титан-сапфира или так называемое неодимовое стекло. Это специальные вещества, которые позволяют генерировать и усиливать ультракороткие лазерные импульсы. В нашей установке главный элемент — кристалл дигидрофосфата калия, сокращенно называемый KDP или DKDP (это более “продвинутая” версия того же кристалла, в которой атомы водорода заменены на атомы дейтерия). Такой кристалл не может сам генерировать ультракороткие импульсы, однако он способен с очень высокой эффективностью передавать энергию одного импульса другому. И если первый импульс длинный и потому не очень мощный, а второй короткий, то в результате короткий импульс становится очень мощным — что нам и требуется. Наша лазерная система заработала в полную силу во второй половине 2000-х. Сейчас эта схема усиления повсеместно признана одной из наиболее перспективных для лазерных систем следующего поколения и уже используется в нескольких проектах.

— У них довольно много интересных приложений. Когда такой импульс фокусируется на мишень, например на поверхность тонкой пластинки,  то вещество мишени практически мгновенно “сгорает”, превращаясь в плазму. А плазма — очень хороший конвертер, переводящий энергию лазерного излучения в энергию частиц, из которых состоит вещество. Именно поэтому такие установки способны ускорять электроны и протоны (из которых состоит все, что нас окружает) до сверхвысоких энергий за очень короткое время.

Все слышали про традиционные ускорители частиц. Они должны обладать колоссальными размерами, чтобы в них можно было ускорить частицы до высоких энергий. Например, знаменитый Большой адронный коллайдер имеет форму кольца длиной 26 километров. А сверхмощные фемтосекундные лазеры, подобные нашему, могут ускорить частицы до тех же энергий на расстоянии в несколько сантиметров!

Из-за огромных размеров и высокой стоимости традиционные ускорители частиц, к сожалению, малодоступны, а ведь у них есть очень важные практические приложения. Примером может служить так называемая адронная или протонная терапия раковых опухолей. Я думаю, все слышали про рентгенотерапию. Ее еще называют лучевой терапией, но на самом деле это только один из видов лучевой терапии. При рентгенотерапии раковые клетки облучаются жестким рентгеновским излучением, которое их убивает. К сожалению, рентген не разбирает, где раковые клетки, а где здоровые, и поэтому требуются немалые ухищрения, чтобы как можно меньше повредить здоровые ткани. Особенно это актуально при облучении областей вблизи мозга, например, при ретинобластоме — злокачественной опухоли сетчатки глаза.

Гораздо лучше было бы заменить рентгеновскую терапию протонной. Протоны также эффективно уничтожают раковые клетки, но намного более избирательны. Можно быть уверенным, что при облучении ни один протон не проникнет дальше определенной точки — это зависит от энергии протонов. В этих случаях на помощь приходит такое явление, как брэгговский пик, который позволяет точно “прицелиться” в участок пораженных тканей глубоко в теле пациента и тонко настроить энергию частиц. Всегда можно спланировать облучение так, что даже если за раковой опухолью находится жизненно важный орган, он не получит ни малейшей дозы облучения.

Известно: чтобы быть эффективными, протоны должны иметь высокую энергию. Обеспечить ее могут большие ускорители, но воспользоваться ими для протонной терапии непросто. Например, у нас ее проводят только в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований. Появление более компактных и более дешевых ускорителей протонов на основе фемтосекундных систем сделало бы такую эффективную терапию доступной практически всем. Иметь свой ускоритель мог бы позволить себе каждый областной центр. Это одна из целей, к которой мы стремимся, проводя свои исследования.

Конечно, это лишь малая часть возможных приложений фемтосекундных систем. Они уже применяются в хирургии, биологии и физике, для создания новых микро- и наноструктурированных материалов. Ведутся работы по использованию этих систем в оптических коммуникациях, в навигации в качестве лазерных гироскопов, для генерации пучков нейтронов в медицинских целях, контроля безопасности грузов при авиаперевозках, создания сверхточных часов. Впрочем, всего не перечислишь.

Что касается научных перспектив, то ученые активно используют фемтосекундные лазеры, чтобы получать еще более короткие электромагнитные аттосекундные импульсы, а в будущем даже — зептосекундные (еще в тысячу раз короче). Если сейчас мы можем изучать процессы на уровне молекул, то такие импульсы дадут возможность практически в буквальном смысле заглянуть внутрь атомов и даже ядер. Это дело ближайших 10-20 лет.