Лазерные установки тераваттного уровня мощности используются сегодня в работах по целому ряду направлений. Это – и изучение состояния вещества в экстремальных условиях (давлениях, температурах), и импульсная генерация излучений в широком диапазоне от ультрафиолета до гамма-квантов, и получение потоков быстрых частиц (электронов, ионов, нейтронов). Все эти направления имеют множество возможных технологических приложений.

В частности, лазерно ускоренные потоки заряженных частиц могут быть использованы в производстве полупроводников и мембранных материалов, обработке поверхностей и колоризации кристаллов, структурной диагностике и томографии, лучевой терапии раковых опухолей и т.д.

Для практической реализации лазерного ускорения по-прежнему необходимо решить несколько исследовательских задач. Так, нужно подобрать мишень, максимально эффективно поглощающую лазерное излучение и формирующую оптимальные физические условия для процессов ускорения. Наиболее перспективным подходом здесь является использование так называемых мишеней с ограниченной массой (mass-limited targets), которые чаще всего представляют собой наноструктурированные порошки, фольги, кластеры, фуллерены – целый набор объектов различной природы.

В своих работах мы остановились на мишени из газовых кластеров. В вакуум под давлением в несколько десятков атмосфер впрыскивают струю газа со сверхзвуковой скоростью, и молекулы газа слипаются в кластеры размером от сотен нанометров до единиц микрон, обладающие плотностью твёрдого тела. За счет того, что характерный размер структуры мишени меньше длины волны лазерного излучения, последнее фактически «запутывается» в мишени и практически полностью поглощается. В то же время, процесс ускорения частиц происходит на поверхности мишени, где под действием лазерного импульса возникает разделение зарядов и формируется ускоряющий потенциал. У кластерной мишени суммарная поверхность огромна, в результате интенсивность потока ионов резко возрастает, а энергетический спектр смещается в сторону высоких энергий.

У такого подхода к выбору мишени имеется также целый ряд технологических преимуществ – он дёшев в производстве, легко возобновляем и допускает высокую частоту повторений импульсов, после сгорания кластеров отсутствуют загрязнения в вакуумной камере. В результате такой лазерный источник, который может быть помещен в одной комнате, по своим техническим данным оказывается эквивалентным большому синхротронному или линейному ускорительному комплексу.

Конечно, в лазерном ускорении не удастся получить рекордные энергии ионов (в десятки ГэВ), но для целого ряда технологических и медицинских целей этого и не требуется. Например, для медицинских целей вполне достаточно энергий от нескольких десятков до сотен МэВ, и возможность получить такие энергии в лазерном ускорении уже продемонстрирована в ведущих мировых лабораториях.

Переход к использованию наноструктурированных, и в частности, кластерных мишеней требует немалых усилий и капиталовложений.

Дело в том, что фемтосекундный лазерный импульс в общем случае имеет сложную временную структуру. Перед основным импульсом следуют предымпульсы меньшей интенсивности, являющиеся следствием различных процессов в лазере, а основной импульс обладает выраженным пьедесталом пикосекундной длительности. Поскольку предваряющие импульсы могут просто разрушить структуру мишени еще до прихода основного импульса, то для использования преимуществ кластерных мишеней необходимо минимизировать интенсивности предымпульсов, иначе говоря – повысить контраст фемтосекудного лазерного импульса.

Этого добиваются совокупностью усилий, как по прецизионной настройке лазерного оборудования, так и введением в лазер дополнительных элементов нелинейной оптики. В Центре сегодня работают с лазером с контрастом в импульсе на уровне 10⁵ – 10⁶ —  значением, далеко не рекордным (на лучших зарубежных установках она составляет 10¹⁰ – 10¹²). Повышение контраста лазерного импульса – серьезная задача для коллектива Центра на ближайшее время.