«Наука в Сибири» № 50 (2785) 23 декабря 2010 г. МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ Активной средой газовых лазеров является низкотемпературная плазма, в которой за счёт различных физических процессов создаётся инверсная населённость между определенными энергетическими уровнями молекул. Чем больше объём плазмы и чем выше концентрация в ней активных частиц, тем большая энергия лазерного излучения может быть получена. Н.А. Ратахин, чл.-корр. РАН, директор Института сильноточной электроники СО РАН В первых газовых лазерах, созданных в 1960-х годах, использовали тлеющий разряд в длинных трубках. Поскольку давление газа в тлеющем разряде малое (в сотни раз меньше атмосферного), для получения больших мощностей требовалось создавать громоздкие лазерные установки. Использование методов мощной импульсной энергетики и сильноточной электроники позволило в начале 1970-х годов осуществить в технике газовых лазеров настоящую революцию. Она состояла в том, что при использовании источников мощных наносекундных (1 нс = 10-9 с) и микросекундных импульсов электрической энергии, а также мощных систем создания инициирующих электронов удалось создавать низкотемпературную плазму в больших, вплоть до нескольких кубических метров, объёмах различных газов при давлениях в несколько атмосфер и более. За счет высоких давлений газа и больших его объёмов удалось многократно увеличить энергию и мощность в лазерных импульсах. Фундаментальную основу для работ в этом направлении составили два научных открытия, сделанные в Институте сильноточной электроники СО АН СССР под руководством Г. А. Месяца. Открытие многоэлектронного инициирования в наносекундных разрядах и разряда с прямой инжекцией электронного пучка позволило осуществить объемный разряд при высоком давлении (больше атмосферного), а открытие взрывной электронной эмиссии в вакуумном разряде — создать источники сильноточных электронных пучков с большим поперечным сечением. Существуют три основных метода накачки газовых лазеров высокого давления. Первый — это создание объемного лавинного разряда при его многоэлектронном инициировании и приложении к электродам разрядной камеры импульсов напряжения наносекундной длительности. Такие лазеры называются электроразрядными с самостоятельным разрядом. Первыми лазерами, работавшими в электроразрядном режиме, были импульсные СО2-лазеры. Второй метод основан на ионизации газового объема инжектируемым в него мощным импульсным пучком электронов, обычно с энергией до 1 МэВ. Впервые этот способ был предложен в ФИАН группой Н. Г. Басова для накачки лазера на жидком ксеноне, а затем получил широкое распространение при возбуждении активных сред лазеров высокого давления. Наконец, третий, электроионизационный способ накачки мощных газовых лазеров — это накачка электрическим разрядом, который контролируется пучком электронов. Такой разряд был впервые осуществлен в ИСЭ, а первый электроионизационный лазер (на углекислом газе) был создан в ФИАН в 1971 году. Принципиальной особенностью всех перечисленных систем накачки является то, что ток разряда (или инжектируемого электронного пучка) течёт поперечно по отношению к направлению лазерного луча. Очень важно, что многие из разработанных систем накачки обладали универсальностью: путем простой смены сорта газа можно было получать излучение на самых различных длинах волн. В числе наиболее мощных импульсных газовых лазерных систем, разработанных в ИСЭ — лазеры на углекислом газе c энергией в импульсе излучения до 5 килоджоулей (1976 год), лазеры на эксимерных молекулах (галогениды инертных газов) с энергией до 2 кДж. Были получены импульсы мощного лазерного излучения длительностью от нескольких наносекунд до микросекунды. Для специальных применений разрабатывались мобильные установки на основе эксимерных лазеров. Предложенная в ИСЭ концепция лазера с многосторонней инжекцией сильноточного электронного пучка в газовый объем была принята за рубежом при разработке лазерных систем мегаджоульного уровня. Кроме рекордных энергетических характеристик возрастающее внимание уделялось получению излучения с высокой стабильностью и качеством. Лазер на углекислом газе, в котором генератор и усилитель совмещены в одном газовом объеме, обеспечивал плавную перестройку частоты излучения и был использован для разделения изотопов (1979 г.). Пятикаскадный эксимерный лазерный комплекс с ультрафиолетовым излучением высокого качества и энергией в импульсе 0,5 кДж был поставлен за рубеж. Газовые лазеры меньшей импульсной мощности (энергии в импульсе в единицы джоулей) нашли применение в спектроскопии, при разработке основ технологий наноматериалов, в медицинской диагностике и фармацевтике, были применены в лидарных системах для зондирования атмосферы на дальности до 10 км (в этой системе гибридный импульсно-непрерывный CO2-лазер работал как в качестве излучателя, так и в качестве усилителя отраженного сигнала), а также для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ. Достижения в физике импульсных газовых разрядов позволили разработать, кроме лазеров, и более компактные устройства спонтанного, но узкополосного излучения — эксилампы. Используя в этих устройствах различные газовые смеси, можно получать излучение во всех частях ультрафиолетового диапазона, использовать это излучение для фундаментальных исследований, а также в микроэлектронике, плазмохимии, биологии, медицине. Одно из новых приложений физики и техники мощных газовых лазеров — получение сверхмощных (петаваттных, 1 ПВт = 1015 Вт) сверхкоротких (фемтосекундных, 1 фс = 10-15 с) импульсов лазерного излучения. Такие импульсы излучения чрезвычайно интересны как новый инструмент для фундаментальных исследований вещества в условиях экстремальных внешних воздействий. Петаваттная мощность была первоначально получена в лазерных пучках сравнительно большой, субнаносекундной длительности. Задача же получения фемтосекундных импульсов такой мощности решается сегодня: достигнут уровень 0,5–1 ПВт. Традиционно используемые для получения таких импульсов твердотельные лазерные усилители не позволяют усиливать сверхмощные фемтосекундные импульсы непосредственно. Перед усилением импульс в тысячи раз растягивают, а после усиления сжимают до исходной длительности с использованием достаточно сложных систем. Ограничиться десятикратным, технически простым растяжением и сжатием можно, если в качестве активной среды использовать газ. Такая лазерная система будет гибридной: начальный импульс, генерируемый твердотельным лазером, усиливается в конечном усилителе с газовой активной средой. Два таких лазерных комплекса созданы Институтом сильноточной электроники СО РАН в содружестве с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН. В обеих системах, построенных на основе сильноточных электронных ускорителей, используется двухступенчатая накачка активной среды. Сильноточным электронным пучком, инжектированным в ксенон, возбуждается мощный импульс жесткого ультрафиолетового излучения, который в свою очередь используется для фотонакачки определенного энергетического перехода в рабочей смеси XeF2, излучающего в синей области спектра. Первая система с импульсным источником питания на основе генератора Маркса работает в ФИАНе, на ней получены импульсы с мощностью 1013 Вт. Более мощная система на основе линейного импульсного трансформатора недавно запущена в ИСЭ. Институт сильноточной электроники вносит свой вклад и в создание твердотельных лазерных систем с рекордной энергетикой. Для французского мегаджоульного лазерного термоядерного комплекса LMJ институтом на основе уникальных многокулонных разрядников разработаны прототипы импульсных источников питания — флэш-ламп накачки неодимового стекла. стр. 5