ПЛАЗМА, ФЕМТОСЕКУНДЫ
И СВЕРХКОРОТКИЕ ИМПУЛЬСЫ
7 мая в Доме учёных СО РАН состоялось торжественное собрание, посвящённое 20-летию Института лазерной физики. Постановление о его создании было принято Президиумом Сибирского отделения АН СССР 27 марта 1991 года. Накануне юбилея в институте высадился журналистский десант «НВС».
Е. Садыкова, «НВС»
Институт создавался на базе двух отделов — Отдела лазерной физики (рук. В. П. Чеботаев) Института теплофизики и Отдела физики плазмы и космического моделирования (рук. А. Г. Паномаренко) Института теоретической и прикладной механики. В настоящий момент в ИЛФ СО РАН работает около 250 человек.
 |
 |
Ак. В. П. Чеботаев,
первый директор ИЛФ.
|
Ак. С. Н. Багаев,
действующий директор ИЛФ.
|
 |
| В. И. Денисов.
|
— Несмотря на то, что институту исполняется только 20 лет, свою историю мы ведем с более раннего срока, — рассказывает Владимир Иванович Денисов, заместитель директора ИЛФ по науке. — В 1962 году был создан первый лазер в Сибири. Произошло это в Институте радиофизики и электроники Сибирского отделения АН СССР. Революционное открытие было сделано группой, состоящей из молодых физиков — Ю. В. Коломникова, Г. В. Кривощекова, Ю. В. Троицкого. Директором ИРЭ был в то время профессор Юрий Борисович Румер.
С момента зарождения и последующие годы работа Отделения лазерной физики была направлена на решение новых задач лазерной физики и квантовой электроники. Вообще, история коллектива до 1991 года насыщена открытиями и изобретениями. Наиболее важным результатом является наш вклад в создание нового направления спектроскопии — нелинейной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения — и её фундаментальные применения. Наши работы в области прецизионной лазерной метрологии, лазерных стандартов частоты были широко известны во всем научном мире. А в 1981 году мы первыми в мире создали оптические лазерные часы.
 |
| Н.с. А. В. Кирпичников, на заднем плане В. И. Денисов.
|
Мы гордимся нашими разработками и исследованиями в области лазерной био-медицины, в изучении влияния факторов ближнего космоса на космические аппараты, созданными нами лазерными технологиями для промышленности и т.д.
В 90-е годы, уже на базе созданного института, мы продолжили все эти исследования, и сейчас, подводя итоги, мы можем гордиться достижениями и за прошедшее двадцатилетие. Так, например, в прессе много говорилось и о фемтосекундных оптических часах, и о применении лазеров в промышленности, и о лазерных медицинских установках. Однако нам бы хотелось донести до читателя информацию и о других наших открытиях и разработках. Поэтому представляем вашему вниманию три лаборатории института (хотя их несравнимо больше, и каждая, безусловно, заслуживает отдельного материала в газете).
Вот что рассказал нашему корреспонденту заведующий лабораторией мощных непрерывных лазеров ИЛФ СО РАН (старейшей лаборатории института) Геннадий Николаевич Грачёв:
— Основные направления НИР лаборатории мощных непрерывных лазеров связаны с исследованиями по созданию мощных СО2 лазеров с управляемыми характеристиками излучения, лазерной плазмы оптического пульсирующего разряда в скоростных потоках газа или на поверхности, лазерными и лазерно-плазменными технологиями.
 |
| Зав. лаб. Г. Н. Грачев и гл. конструктор А. Л. Смирнов за настройкой мощной СО2 лазерной системы.
|
Многолетняя разработка методов управления характеристиками излучения позволила создать многофункциональный трёхкиловаттный СО2 лазер, который может генерировать как в непрерывном режиме, так и в импульсно-периодическом, причем с частотой от единиц килогерц до десятков и даже сотен. Представьте себе, 120 тысяч лазерных импульсов за одну секунду! Можно изменять частоту следования, длительность и форму импульса, а главное — получать импульсные мощности в десятки-сотни раз больше, чем в непрерывном режиме. Кроме того, он может перестраиваться по спектру генерации СО2 молекулы, это более 70 спектральных линий в полосах от 9 до 11 микрон. Кроме одночастотных вариантов перестройки спектральной линии, нами разработаны схемы, позволяющие получать одновременную двухволновую генерацию в одном резонаторе, причем как на соседних спектральных линиях, так и разнесённых, то есть из разных ветвей и полос спектра.
 |
| Магистрантка НГТУ Д. Щетинина, инженер-технолог А. А. Мякушина, зав.лабораторией Г. Н. Грачев, главный конструктор А. Л. Смирнов.
|
Широкие возможности управления характеристиками излучения открывают новые направления и сферы применений мощных СО2 лазеров, которые мы активно развиваем в кооперации с другими лабораториями ИЛФ и рядом институтов СО РАН, а именно:
— высокопроизводительные лазерно-плазменные нанотехнологии износостойкой модификации поверхности металлов и сплавов, синтеза защитных (износо/коррозионно-устойчивых) и функциональных (сверхтвёрдых, ударопрочных) покрытий на металлах, плазмохимического синтеза наночастиц полупроводниковых оксидов металлов для керамики, газовых сенсоров и катализа (совместно с Институтом неорганической химии и Институтом химической кинетики и горения);
— аэрофизические эффекты взаимодействия лазерной плазмы с потоком газа (в том числе для перспективных схем лазерных ракетных двигателей), а также применения лазерной плазмы и импульсно-периодического излучения для инициации и исследования процессов горения (совместно с Институтом теоретической и прикладной механики);
 |
| Измерение характеристик ударных волн в лазерной плазме сверхзвукового потока газа.
|
— исследование процессов генерации субмиллиметровых лазеров при мощной оптической накачке.
Кроме перечисленных, отмечу основные направления потенциальных применений:
— комбинированные лазерно-плазменные и молекулярно-пучковые нанотехнологии получения полупроводниковых гетеросистем с многозонной структурой для новой элементной базы электроники и высокоэффективных преобразователей солнечной энергии (готовятся эксперименты совместно с Институтом физики полупроводников);
— лазерно-химические технологии, основанные на резонансном двухволновом многофотонном возбуждении или диссоциации, ионизации молекул, включая технологии лазерного разделения изотопов;
— создание комплексных лазерных станций с радиусом действия в десятки километров для экологического мониторинга и контроля движения облаков (в т.ч. загрязняющих) атмосферы городов-мегаполисов или крупных аэропортов, а также для локации движения самолетов и измерения сейсмических колебаний искусственных сооружений.
И, наконец, кажущиеся фантастическими, но не лишённые оснований перспективы применений мощных СО2 лазерных систем и лазерной плазмы для создания инжекторов дейтерий/тритиевой плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза и уничтожения космического мусора действием приповерхностной лазерной плазмы.
Рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории физики лазеров сверхкоротких импульсов, кандидат физико-математических наук Владимир Иванович Трунов:
— Лаборатория физики лазеров сверхкоротких импульсов находится в составе Института лазерной физики с 1998 года. В штате 10 человек, но в рамках проектов разного уровня к работе привлекаются сотрудники из других лабораторий института, аспиранты и студенты.
 |
| К.ф.-м.н. В. И. Трунов ведёт настройку фемтосекундной тераваттной системы.
|
Лаборатория занимается исследованием процессов генерации и усиления лазерных импульсов предельно-короткой длительности видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. За это время были разработаны принципы генерации фемтосекундных (10-15 секунды) импульсов предельно-короткой длительности в оптическом диапазоне и их усиления на основе гибридной схемы, включающей лазерное и параметрическое усиление, и схемы на основе сверхширокополосного параметрического усиления при накачке импульсами пикосекундной
(10-12 секунды) длительности. Выполненные в лаборатории исследования создают основу для проведения работ по генерации сверхмощных фемтосекундных лазерных импульсов.
 |
| Зав. лабораторией ФЛСКИ Е. В. Пестряков.
|
В настоящее время в ведущих мировых научных центрах активно ведутся работы по созданию лазерных систем с пиковой мощностью петаваттного уровня, среди которых NOVA (Ливерморская лаборатория, США), Vulcan (Резерфордовская лаборатория, Великобритания) и ряд других. С использованием лазерных систем такого уровня мощности достигнуты пиковые интенсивности порядка
1021–1022 Вт/см2. Стоит задача достижения интенсивностей на уровне
1025–1030 Вт/см2.
Какой это представляет интерес для научных исследований? Если условно разделить лазерные системы по интенсивности, то значение
1018 Вт/см2 называют релятивистской интенсивностью, так как при таких интенсивностях электрон в поле световой волны приобретает скорость, близкую к скорости света. Интенсивности на уровне 1025 Вт/см2 определяют как ультрарелятивистские, при которых протоны в поле световой волны также достигают релятивистских скоростей.
Достижение интенсивностей на уровне 1025 Вт/см2 позволит проверить основы квантовой электродинамики, которая предсказывает при таких интенсивностях возможность наблюдения эффектов, связанных с поляризацией вакуума и его нелинейно-оптическими свойствами. Вакуум перестает быть изотропным, его параметры начинают зависеть от направления распространения излучения. При дальнейшем увеличении интенсивности до 1030 Вт/см2 возможно рождение электрон-позитронных пар из вакуума. Такой уровень интенсивностей называют швингеровским пределом.
Значительный интерес представляет реализация режима генерации рентгеновского и гамма излучений фемтосекундной длительности, что позволит в реальном масштабе времени диагностировать структуру нанообъектов, динамику их преобразования, ход химических реакций. Т.е. может быть реализована 4D диагностика: пространственная 3D — с нанометровым разрешением по трём координатам и временная, с фемтосекундным и в дальнейшем с аттосекундным (10-18 секунды) разрешением. К примеру, пол-аттосекунды — это характерное время перехода электрона с орбиты на орбиту в атоме водорода. Создание источников аттосекундных импульсов может позволить продвинуться в решении проблемы генерации еще более коротких импульсов — зептосекундных (10-21 секунды). При реализации импульсов зептосекундной длительности станет возможным исследование динамики внутриядерных возбуждений, реакций синтеза и деления ядер.
В плане практических приложений одно из наиболее перспективных (с использованием лазерных систем петаваттного и мультипетаваттного диапазонов) — это генерация моноэнергетических протонов и ионов с определенной энергией для так называемой адронной терапии — одного из методов лечения раковых опухолей. В отличие от ускорительных систем, разрабатываемых ядерщиками, схемы ускорения протонов и ионов с использованием мощного лазерного излучения позволяют, меняя только материал мишени, изменять энергию и тип ускоренных частиц.
 |
| Самый молодой инженер лаборатории М. И. Зимин.
|
В нашей лаборатории развиваются новые принципы генерации сверхмощных оптических импульсов, так как традиционная линейная схема усиления к настоящему времени достигла своего практического предела. Разрабатываемые нами подходы, позволяющие преодолеть этот предел, заключаются в следующем. Мы планируем и ведём эксперименты по генерации мощного излучения методом когерентного сложения полей, в то время как традиционно складываются интенсивности в многоканальных лазерных системах. Для когерентного сложения излучения отдельных каналов они должны быть хорошо сфазированы. Для этого планируется использовать разработанные в ИЛФ СО РАН оптические часы, позволяющие с высокой точностью стабилизировать частотно-фазовые характеристики складываемых излучений и таким образом реализовать высокоэффективное когерентное сложение. А это позволит продвинуться в область генерации сверхсильных оптических полей, преодолеть ультрарелятивистский уровень интенсивностей и достичь швингеровского предела.
В настоящее время в лаборатории в сотрудничестве с рядом институтов СО РАН (ИГиМ СО РАН, ИХКиГ СО РАН, ИК СО РАН, ИХТТиМ СО РАН, ИЯФ СО РАН) создается стартовая система эксаваттного (1018 ватт) лазерного комплекса — мультипетаваттная (>1015 ватт) лазерная система на основе сверхширокополосного параметрического усиления в нелинейных кристаллах.
В лаборатории оборудовано помещение площадью 70 м2 6-го класса чистоты, в котором ведутся работы по генерации мощного фемтосекундного излучения с когерентным сложением полей при использовании активной электронно-оптической синхронизации и привязки частотно-фазовых параметров излучений каналов к опорному стандарту при накачке импульсами пикосекундной длительности.
Создание такой системы позволит аттестовать основные методы и средства, необходимые для дальнейшего масштабирования многоканального принципа построения высокоинтенсивных лазерных систем мультипетаваттного и эксаваттного уровня на основе когерентного сложения.
 |
| Разработчик лазерного течеискателя «Карат» с.н.с. И. В. Шерстов в рабочий момент настройки прибора.
|
Рассказывает Игорь Владимирович Шерстов, старший научный сотрудник лаборатории ИК лазерных систем:
— В область интересов нашей лаборатории попадают практически все устройства, работающие в ИК-области спектра. Это, прежде всего, дистанционный и локальный газоанализ атмосферы, экологический мониторинг, химразведка и прочие специальные применения. У нас разрабатываются различные СО2-лазеры собственной патентованной конструкции. Недавно к нам присоединилось также несколько специалистов в области параметрических генераторов света с перестройкой длины волны.
Принцип действия лазерных приборов для локального или дистанционного газоанализа атмосферы достаточно прост. Каким из них могут быть обнаружены примеси различных газов в воздухе? Прежде всего, этот газ должен каким-то образом взаимодействовать с зондирующим излучением — световым, радиочастотным или иным, не важно. Если нет такого взаимодействия, например, поглощения, обнаружение газа невозможно. Любые газы имеют электронные спектры поглощения, лежащие в ультрафиолетовой области, но там все они перекрываются друг другом, поэтому достаточно трудно отличить один газ от другого. А в среднем ИК-диапазоне (от 3 до 14 микрон) расположены самые сильные колебательно-вращательные полосы поглощения многих молекулярных газов, здесь они уже располагаются раздельно. Правда, к сожалению, единого лазерного источника излучения, способного работать в таком широком спектральном диапазоне, пока не существует.
Мы традиционно разрабатываем технику на основе СО2-лазеров, которые работают в области 9–11 микрон. Самая сильная линия излучения этого лазера расположена вблизи 10,6 микрон. Это невидимое излучение, человек способен видеть только очень узкий диапазон спектра от 0,4 до 0,7 микрон. Солнце, например, имеет самую высокую интенсивность излучения в районе 0,5 микрон, и эта область как раз приходится на наш видимый спектральный диапазон. Нам повезло, иначе могли бы жить в сумерках.С лазерами ситуация примерно такая же. У любого лазера есть определенный спектральный участок излучения, каждый диапазон применяется для какой-то узкой области.
СО2-лазер дискретно перестраивается в области от 9 до 11 микрон. Это примерно 70 различных длин волн, которые могут переключаться, как каналы в ТВ. Лазер перестраивается на нужную длину волны и попадает на линию поглощения определенного газа. Но, если длина волны излучения лазера передвинется немного в сторону, он перестает этот газ «видеть». Получается некий газовый репер, заданный нам природой. Так, например, в полосу перестройки СО2-лазера попадают спектры поглощения озона, аммиака, этилена, фреонов, спиртов, ацетона и др., есть также спектры поглощения некоторых взрывчатых веществ.
Наши приборы нашли применение и в медицине. Так, например, в организме больных людей заводятся специфические бактерии, которые по своему «дышат». И мы разработали лазерный газоанализатор, который может диагностировать состояние здоровья человека по выдыхаемому воздуху и газовому следу бактерий. Этот газоанализатор активно используется в Томске нашими коллегами.
 |
| В начале большого пути. |
В лаборатории разработана целая линейка компактных лазеров. Например, наш самый маленький СО2-лазер задумывался по размерам и весу не больше, чем банка пива. На этот лазер мы поставили фотоакустический детектор, предложенный нашими коллегами из Института оптики атмосферы (группа Ю. Н. Пономарева). Один из наших последних приборов, переносной лазерный течеискатель «КАРАТ», создан с целью регистрировать утечки газа SF6 (элегаз), который широко используется в высоковольтном и импульсном оборудовании как газовый изолятор, а также является самым сильным «парниковым» газом и входит в Киотский протокол. Лазерный течеискатель работает в режиме непрерывного забора пробы воздуха со скоростью 10 куб. см в секунду, «обнюхивая» элегазовое оборудование, имеет встроенный аккумулятор, позволяющий непрерывно работать в течение 6 часов в полевых условиях. Пороговая чувствительность этого прибора очень высокая, на уровне 1 ppb (1 частица на миллиард). Конкурентов при такой чувствительности у нас практически нет. Ближайшие серийные приборы имеют чувствительность по SF6 на уровне 1 ppm (1 частица на миллион), т.е. в 1000 раз хуже. На таком же принципе детектирования был создан прибор по обнаружению паров взрывчатки. Правда, по пороговой чувствительности и селективности этот прибор уступает газовым хроматографам. Однако главное достоинство наших лазерных приборов — они работают в реальном времени, почувствовали — и мгновенно отреагировали.
Таким образом, мы в лаборатории ИК лазерных систем создали целую линейку лазерных приборов для газового мониторинга атмосферы, обладающих достаточно высокой чувствительностью, которые могут быть настроены на обнаружение следовых количеств различных газов.
Фото В. Новикова
стр. 4-5
|
