В России строят «фабрику фотонов»

Одним из самых интересных проектов, который реализуется сегодня в НИЯУ МИФИ является создание новой мощной многофункциональной лазерной установки килоджоульного уровня энергии «ЭЛЬФ» (ЭЛЬФ – Экспериментальная Лазерно-Физическая установка; англ.: ELF - Experimental Laser Facility). Этот лазер нужен и мировой науке, но нужен он и университету, поскольку крупные, желательно уникальные установки сегодня являются необходимой принадлежностью  университета, который претендует занять ведущее место в мировой науке. Проект поддержан программой Приоритет 2030. 

Научная инфраструктура такого масштаба выполняет три функции: во-первых, позволяет получать научные результаты мирового уровня, которые бы воплощались в высокоцитируемых публикациях; во-вторых, обеспечивает возможность обучать студентов работе на мощных, дорогостоящих установках, аналогичных тем, на которых они будут работать в научных коллективах после выпуска; и, в-третьих, такая установка должна способствовать включению университета в мировую научную повестку.

Идея заключалась в том, чтобы создать не просто мощный лазер, а лазер с «пользовательским интерфейсом», который по своим характеристикам обеспечивает широкий спектр возможностей для  исследований ученым из разных лабораторий и институтов. То есть, установка должна поставщиком «универсальной научной услуги». Дело в том, что сегодня мощные лазеры могут использоваться в экспериментах в самых разных научных областях – таких как, термоядерный синтез, физика плазмы, экстремальные состояния вещества и даже лабораторная астрофизика. Последняя область, получившая популярность в последнее время, пожалуй, особенно интересна -  она предполагает моделирование с помощью лазеров в лабораторных условиях процессов, подобных тем, что происходят в недрах звезд и при взрывах сверхновых, и таким образом делать вывод о физике вселенной. По словам директора Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андрея Кузнецова, «ЭЛЬФ» должен работать в режиме «фабрики фотонов», вырабатывая лазерные импульсы по «заказам» работающих на нем ученых, которые могут запросить лазерное излучение с определенными параметрами – нужной энергии, спектра, длительности и временной формы импульса, а также с набором сопутствующих диагностик.

В мире лазерные установки килоджоульной мощности как правило создаются странами, которые обладают технологиями для создания еще более мощных установок мегаджоульного уровня энергии. Таких стран в мире сейчас пять: США, Франция, Россия, Китай, Япония. При этом, как показывает опыт иностранных коллег «в паре» с национальными установками мегауровная работают университетские установки . Это относится и к лазеру LULI2000, который работает во Франции в École polytechnique, и к лазеру Omega в Рочестерском университете США. Дело в том, что эксперимент на установке мегаджоульной мощности может сотни тысяч долларов, но его можно существенно удешевить, если некоторые «компоненты» эксперимента - например предполагаемые режимы – отработать «в малых масштабах» на университетских лазерах. Между тем, в Сарове специалистами ВНИИЭФ уже создается лазерная мегаустановка мегаджоульного уровня энергии, «дополнительной» по отношению к которой и будет «ЭЛЬФ». Кстати, тесное взаимодействие лазерных мегаустановок с атомной энергетикой также является мировой традицией.

Идея создания «ЭЛЬФа» появилась примерно в 2015 году. В 2018 она получила поддержку Академии наук, в 2020 году было заключено соглашение о создании лазерной установки межу НИЯУ МИФИ, ВНИИЭФ и Институтом общей физики РАН (позже к этому же соглашению подключился ФИАН). В 2021 году проект получил поддержку программы «Приоритет 2030».

Основой для «ЭЛЬФа» стала элементная база уже существующей в Сарове килоджоульной лазерной установки «Луч». Однако, речь не идет о создании копии «Луча». За последние два года рабочая группа, состоящая из сотрудников ВНИИЭФ и НИИ МИФИ предложила оригинальную схему усиления лазерного излучения. Если в стандартной схеме «Луча» при одном и том же количестве усилительных элементов можно было генерировать лазерный импульс с энергией порядка одного килоджоуля, то в «ЭЛЬФЕ», как показавают расчеты, при тех же затратах входящей энергии можно увеличить энергию импульса до 6 килоджоулей. Это недостижимый уровень энергии для подобных установок. Именно поэтому «ЭЛЬФ» должен стать уникальным научным инструментом.

В настоящее время происходит создание инфраструктуры под размещение лазера. Установка разместится на первом этаже научно-лабораторного корпуса НИЯУ МИФИ в помещениях общей площадью 600 квадратных метров, а ее сердцем будет «Лазерный зал» площадью 300 квадратных метров где в условиях «чистой зоны» разместится крупногабаритное лазерно-оптическое оборудование.