Физика лазеров

Днем рождения лазерно-физических исследований во ВНИИЭФ принято считать 13 марта 1963 года. Именно в этот день научный руководитель ВНИИЭФ Ю. Б. Харитон провел совещание, где Я. Б. Зельдович изложил физику вынужденного излучения и объяснил, почему основные свойства лазерного излучения определяются механизмом этого явления. На совещании также присутствовали специалисты по оптическим свойствам ударных волн – С. Б. Кормер и Г. А. Кириллов, которые активно приступили к развитию нового направления.

В 1965 г. к Ю. Б. Харитону обратился лауреат Нобелевской премии в области физики Н. Г. Басов с предложением провести совместные исследования возможности создания лазеров с максимально достижимой энергией излучения на базе фотодиссоционных лазеров. При обсуждении этих вопросов Ю. Б. Харитон высказал идею использовать для накачки лазеров свечение фронта ударной волны в благородных газах, возбуждаемой взрывом обычного взрывчатого вещества (ВВ). Н. Г. Басов с этим предложением согласился, после чего начались совместные исследования сотрудников Физического института Академии Наук (ФИ АН) и ВНИИЭФ по созданию мощных лазеров. В последующие годы во ВНИИЭФ проведены исследования различных типов мощных лазеров и их применений.

В настоящее время Институт лазеро-физических исследований (ИЛФИ) осуществляет научно-техническую деятельность и международное сотрудничество по следующим направлениям:

• исследования в области лазерного термоядерного синтеза;
• исследования свойств высокотемпературной плазмы;
• разработка и создание мощных фотодиссоционных, химических, газодинамических, кислород-йодных и твердотельных лазерных систем;
• применение лазерных технологий в медицине, экологии и других областях науки и техники.

Во взрывных фотодиссоционных лазерах (ВФДЛ) для создания инверсии в атомах йода используется излучение фронта ударной волны, генерируемой в инертном газе взрывом ВВ.
1970 г. – в кооперации с ФИАН и ГОИ был создан лазер мегаджоульного уровня энергии при длительности импульса ~ 100 мкс. Реализация этого проекта стала яркой иллюстрацией возможностей, которые открывает сочетание разрушительной силы взрыва и тонких когерентных свойств лазерного излучения.
1974–2002 гг. – за счет оптимизации лазерной среды (оптические неоднородности были уменьшены на порядок) и разработки нового типа резонатора с нерезонансной обратной связью и угловым селектором удалось создать ВФДЛ, который до сих пор находит широкое применение в исследовательских программах.
Разработка устройств обращения волнового фронта (ОВФ) для компенсации оптических неоднородностей позволила получить на ВФДЛ практически дифракционную расходимость излучения и создать лазеры с рекордной силой излучения. Возможности по концентрации энергии излучения ВФДЛ с ОВФ наглядно продемонстрированы на установке "Лямбда" (в рамках проекта МНТЦ), где излучение взрывного лазера было сфокусировано в пятно размером порядка длины волны излучения (~ 1,5 мкм) и достигнута интенсивность излучения 3^.10¹⁸ Вт/см². Для наносекундных импульсов это значение является рекордным.

1970 - 1980 гг. – по инициативе Ю.Б. Харитона и С.Б. Кормера были начаты исследования в области создания мощных химических лазеров (ХЛ), инверсия населенности в которых формируется в результате цепной химической реакции фтора с водородом (дейтерием). В результате проведенных экспериментальных работ была изучена физика химических лазеров, получены рекордные значения удельной энергии лазерного излучения, приходящейся на единицу объема активной среды. Совместно с РНЦ "Прикладная химия" во ВНИИЭФ был создан и испытан самый мощный в мире импульсный химический лазер.

1982-2002 гг. – анализ показал, что существенно большей перспективой применения обладают неуничтожаемые системы, работающие в импульсно-периодическом режиме. Результатом исследований стал химический лазер с энергией излучения в импульсе несколько кДж, расходимостью излучения, близкой к дифракционной, техническим КПД ~ 70 % (самым высоким для лазеров вообще), частотой следования импульсов 1–4 Гц.
1985-2005 гг. – продуктивными оказались работы по изучению лазеров на нецепной реакции фтора с водородом (дейтерием), где в качестве фторсодержащего вещества применялся гексафторид серы SF₆, диссоциирующий в электрическом разряде. Для обеспечения длительной и безопасной работы лазера в импульсно-периодическом режиме созданы установки с замкнутым циклом смены рабочей смеси. Показана возможность получения в электроразрядном лазере на нецепной химической реакции расходимости излучения, близкой к дифракционному пределу, частоты следования импульсов до 1200 Гц и средней мощностью излучения несколько сотен Вт.

В газодинамических лазерах (ГДЛ) источником энергии излучения служит тепловая энергия молекулярного газа, равновесно нагретого до высоких температур. Исследования ГДЛ развернулись в 1974 году. Была создана экспериментальная установка, в которой нагрев газа осуществлялся с помощью электрического взрыва. Рекордные удельные энергетические характеристики излучения ГДЛ достигнуты благодаря изобретению соплового блока с оригинальной системой смешения нагретого азота с рабочей молекулой (С0₂) и газом релаксантом (Не, Н₂0). Полученные удельные энергетические характеристики ГДЛ превосходят соответствующие удельные характеристики электроразрядных лазеров и близки к максимальным характеристикам лучших химических лазеров.

Химический кислород-йодный лазер КИЛ-10 – единственный к настоящему времени химический лазер на электронных переходах. Основу КИЛ составляет генератор молекулярного синглетного кислорода, энергия возбуждения которого при столкновениях передается с высокой эффективностью атомам йода. Работы по КИЛ начались в 1981 году. Уже через год была получена мощность излучения 180 Вт, в 1986 году – 900 Вт. В 1991 году на установке с дозвуковым потоком газа была достигнута мощность излучения около 5 кВт при удельном съеме энергии 400 Дж/г и химической эффективности ~24 %.
В 1995-1999 гг. был создан новый тип генератора синглетного кислорода с закрученным потоком газа. В 1999 году была успешно испытана сверхзвуковая модель КИЛ.
В 2007 году выведен на полномасштабный режим работы стенд КИЛ-10. Синглетный кислород производится в оригинальном, защищенном патентом РФ N 2307434 химическом генераторе синглетного кислорода (ГСК) с уникальными характеристиками: химическая эффективность – до 85 %, удельная производительность синглетного кислорода – до 24 ммоль/с·см².
Выходная мощность стенда КИЛ-10 превосходит мощность любого из известных по научным публикациям Европейского непрерывного кислород–йодного лазера. Судя по опубликованным работам, полученная химическая эффективность КИЛ является рекордной.

В результате активной работы сотрудников института в кооперации со многими учреждениями страны в РФЯЦ-ВНИИЭФ появилось целое семейство мощных моноимпульсных установок "Искра". В 1989 году была запущена 12-канальная установка "Искра-5" мощностью 120 ТВт, не имеющая аналогов в Европе и Азии (по мощности ее превосходила лишь установка "Нова" в США). "Искра-5" стала основой экспериментального комплекса, включающего в себя камеру взаимодействия с фокусирующей оптикой и средства диагностики плазмы.

На комплексе, в основном, проводятся исследования с мишенями непрямого облучения. Направления этих исследований: лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях. На установке также решаются задачи тестирования программ радиационной газовой динамики, разрабатываемых во ВНИИЭФ.

Эксперименты на установке "Искра-5" не только привели к важным результатам, перечисленным выше, но и выявили ограниченность ее возможностей. В 1996 году РФЯЦ-ВНИИЭФ выступил с предложением о создании лазерной установки нового поколения с энергией, на порядок превышающей энергию установки "Искра-5".
Под руководством Р.И. Илькаева, Г.А. Кириллова и С.Г. Гаранина был разработан концептуальный проект неодимовой установки со следующими параметрами: энергия лазерного излучения 300 кДж на длине волны 351 нм, число каналов 128, длительность лазерного импульса (1-3) нс, форма лазерного импульса - профилированная. Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений по физике горячей и плотной плазмы. Впоследствии характеристики данной установки были уточнены с учетом последних достижений лазерной техники и технологии, нового понимания физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Это позволит увеличить число каналов и обеспечит в камере взаимодействия существенно более высокую энергию лазерного излучения. Установка получила название "УФЛ-2М".
При создании лазера такого класса, как "УФЛ-2М", на первом этапе для проверки и отработки основных научно-технических решений необходимо создать менее масштабную установку, являющуюся прототипом основной системы. Прототипом базового модуля установки "УФЛ-2М" является четырехканальная неодимовая установка "Луч", запущенная в РФЯЦ-ВНИИЭФ в 2001 году при участии ведущих институтов страны. Для повышения КПД и снижения стоимости лазера используется четырехпроходная схема усиления, в которой импульс четыре раза проходит через активные лазерные элементы (Nd пластины).
Четыре лазерных канала объединены в блоки (2x2) с единой системой накачки на основе ксеноновых ламп. В поперечном сечении лазерный пучок представляет собой квадрат с размером 20x20 см.

Установка "Луч" располагается в специальном здании, в помещении площадью ~ 600 кв.м и классом чистоты N 7 ИСО. Внутри имеются сверхчистые боксы для силовых усилителей и оптики с классом чистоты N 5 ИСО.
Проведены эксперименты по исследованию усиления импульса излучения длительностью τ_0,5=4 нс в штатном режиме. Выходная энергия канала составила ~ 3,5 кДж при коэффициенте усиления слабого сигнала g = 0,045 см^-1, что близко к расчетно-ожидаемой в условиях экспериментов.
Выполненные работы по созданию установки "Луч" и исследованию усиления лазерного излучения позволили подтвердить основные научно-технические решения, закладываемые в схему установки "УФЛ-900".

В последние годы наблюдается стремительный прогресс в разработке и создании твердотельных лазерных систем с импульсами фемтосекундной длительности (1фс=10^-15с) субпетаваттной и петаваттной мощности. С вводом в строй установки "Луч" открывается уникальная возможность получения на базе канала этой установки сверхмощных (~ ПВт) лазерных импульсов.

В РФЯЦ-ВНИИЭФ совместно с ИПФ РАН разработана петаваттная лазерная система со сверхкороткой длительностью импульса на основе параметрического усиления широкополосных чирпированных лазерных импульсов. Накачка выходного параметрического усилителя (кристалл DKDP световой апертурой 300мм и толщиной 55мм) производится преобразованным во вторую гармонику (λ_нак = 527 нм) излучением лазерного канала установки "Луч" (Е_нак~0,5–1,5кДж, τ_нак=2,5нс).

В четырех каскадах параметрического усиления получен коэффициент усиления 10¹¹. Энергия пучка на выходе оконечного параметрического усилителя составила Е_сигн=100Дж на λ_сигн=911нм.
Для компрессии импульса применяются четыре дифракционные решетки размером 240x380мм с плотностью штрихов 1200мм^-1. Длительность скомпрессированного импульса составляет τ~ 60 фс, что соответствует мощности лазерного излучения Р_вых~ 1,2 ПВт.
Для фокусировки лазерного пучка на мишень применяется внеосевое параболическое зеркало диаметром 320мм с фокусным расстоянием 800мм и собственным кружком рассеяния ~ 10 мкм по уровню 80 % энергии, что обеспечивает интенсивность лазерного пучка на мишени I ~ (10²⁰ – 10²¹) Вт/см².

В РФЯЦ-ВНИИЭФ разрабатывается электроразрядный лазер, работающий в УФ- и ИК- диапазонах спектра, на основе рабочей камеры и источника энергопитания серийного экспериментального лазера CL-5000 (ЦФП ИОФ РАН, г. Троицк) и нового электродного узла с многосекционным разрядным промежутком. Для лазерных сред на основе XeF, KrF, N₂, HF, DF, СО₂ получены рекордно высокие частоты следования импульсов при низкой скорости прокачки газа (< 19 м/с). Управление работой лазера осуществляется от компьютера. Стабильность энергии импульсов излучения XeF-, KrF-, N₂-лазеров составила σ₂ ≤ %.

Исследования, направленные на использование ядерной энергии для накачки лазеров, ведутся во ВНИИЭФ с конца 60-х годов. В 1972 году прошли первые успешные эксперименты по получению генерации в смесях инертных газов атмосферного давления при их возбуждении осколками деления урана в нейтронных полях исследовательских ядерных реакторов. В других организациях России и в США исследования по прямой ядерной накачке лазерных сред были проведены спустя несколько лет, и с тех пор они практически лишь повторяли полученные во ВНИИЭФ и опубликованные в открытой печати результаты.

На базе ядерных реакторов ВНИИЭФ в Институте ядерной и радиационной физики создано несколько экспериментальных комплексов для проведения исследований по проблемам прямой ядерной накачки. Основные комплексы созданы на базе реакторов ВИР-2М и БИГР. Выработана концепция реактора-лазера (РЛ) как автономного ядерно-физического устройства, совмещающего функции лазерной системы и ядерного реактора и осуществляющего прямое преобразование энергии ядерных реакций в лазерное излучение... подробнее>>>