В 1962 г. в Институте радиофизики и электроники СО АН СССР был создан первый в Сибири лазер. В последующем работы в этом направлении интенсивно велись в двух других научных коллективах Новосибирска - Институте теплофизики и Институте теоретической и прикладной механики. А в 1991 г. президиум СО АН СССР постановил открыть на базе их профильных отделов Институт лазерной физики - в нынешнем году он отметил свое двадцатилетие. О ведущихся здесь исследованиях его сотрудники рассказали корреспонденту газеты "Наука в Сибири" Елизавете Садыковой.

Заместитель директора института по научной работе кандидат физико-математических наук Владимир Денисов отметил: "Наши сотрудники внесли большой вклад в создание нового направления: нелинейной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения. Это важнейший результат, но, конечно, далеко не единственный. Наши достижения в области прецизионной метрологии, стандартов частоты широко известны в стране и за рубежом. Мы первыми в мире создали оптические лазерные часы. Гордимся и разработками в области биомедицины, инновационными технологиями для промышленности, итогами изучения влияния факторов ближнего космоса на космические аппараты".

Конечно, успехи института - это плод объединенных усилий всех его научных подразделений. Старейшее из них - лаборатория мощных непрерывных лазеров. Здесь создают установки с управляемыми характеристиками излучения. В их числе многофункциональный трехкиловаттный CO₂-лазер, способный работать 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! - восклицает руководитель лаборатории Геннадий Грачев. - Можно изменять частоту их следования, длительность и форму, а главное - получать импульсные мощности в десятки и даже сотни раз больше, чем в непрерывном режиме. Кроме того, "машина" может перестраиваться по спектру генерации CO₂ молекулы, это более 70 спектральных линий в полосах от 9 до 11 мк".

Широкие возможности управления характеристиками излучения открывают новые направления и сферы применений мощных CO₂-лазеров - сотрудники лаборатории развивают их в кооперации с другими научными коллективами СО РАН. Так, совместно с Институтом неорганической химии им. А. В. Николаева и Институтом химической кинетики и горения разрабатываются высокопроизводительные лазерно-плазменные нанотехнологии износостойкой модификации поверхности металлов и сплавов. В содружестве с Институтом теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича изучаются аэрофизические эффекты взаимодействия лазерной плазмы с потоком газа (в том числе для перспективных схем ракетных двигателей). При участии Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова готовят эксперименты по получению полупроводниковых гетеросистем для новой элементной базы эле-

ктроники и высокоэффективных преобразователей солнечной энергии. В лаборатории ведут поиск лазерно-химических технологий, основанных на резонансном двухволновом многофотонном возбуждении или диссоциации, ионизации молекул, включая способы лазерного разделения изотопов. Здесь также создаются комплексные лазерные станции с радиусом действия в десятки километров для экологического мониторинга и контроля движения облаков (в том числе насыщенных загрязнителями) над мегаполисами или крупными аэропортами, а также для локации движения самолетов и измерения сейсмических колебаний искусственных сооружений.

Нельзя не упомянуть, наконец, и кажущиеся пока фантастическими, но не лишенные оснований перспективы применения мощных CO₂-лазеров для создания инжекторов дейтерий/тритиевой плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, а также для уничтожения космического мусора.

Другое "поле деятельности" у лаборатории физики лазеров сверхкоротких импульсов. Ее сотрудниками предложены принципы генерации фемтосекундных (10 ^{- 15} с) импульсов в оптическом диапазоне и их усиления с последующим превращением в сверхмощные аналоги на основе различных схем. В этой связи отметим, что в настоящее время в ведущих научных центрах мира предпринимаются попытки создания лазерных систем с пиковой мощностью петаваттного (10¹⁵ Вт) уровня. С использованием их уже достигнуты пиковые интенсивности порядка 10²¹ -10²² Вт/см². Стоит задача достижения уровня 10 -10 Вт/см².

Какой интерес это представляет для научных исследований? Если условно разделить лазерные системы по упомянутому критерию, то значение 10¹⁸ Вт/см называют релятивистской интенсивностью, так как при таких условиях электрон в поле световой волны приобретает скорость, близкую к световой. Уровень 10²⁵ Вт/см² определяют как ультрарелятивистский, при нем протоны в поле световой волны также разгоняются до релятивистских скоростей.

Достижение уровня 10²⁵ Вт/см позволит проверить основы квантовой электродинамики, предсказывающей при указанных 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 увеличении интенсивности до 10 Вт/см (такой уровень называют швингеровским пределом) возможно рождение электрон-позитронных пар из вакуума.

По словам ведущего научного сотрудника лаборатории кандидата физико-математических наук Вла-

димира Трунова, 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 диагностика не только пространственная (с нанометровым разрешением по трем координатам), но и временная - с фемтосекундным, а в дальнейшем с аттосекундным (10 ^{- 18} с) разрешением. К примеру, полаттосекунды - характерное время перехода электрона с орбиты на орбиту в атоме водорода. Создание источников аттосекундных импульсов поможет подойти к генерации зептосекундных (10 ^{- 21} с). Тогда 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.

В лаборатории развиваются новые принципы генерации сверхмощных оптических импульсов, т.к. традиционная линейная схема усиления уже достигла своего практического предела. Разрабатываемые подходы предполагают когерентное сложение полей, для чего отдельные каналы должны быть хорошо

сфазированы. Для этого планируется использовать разработанные в Институте лазерной физики оптические часы. При продвижении в область генерации сверхсильных оптических полей удастся, по всей вероятности, преодолеть ультрарелятивистский уровень интенсивностей и достичь швингеровского предела.

В настоящее время в лаборатории в сотрудничестве с рядом институтов СО РАН создается стартовая система эксаваттного (10¹⁸ Вт) лазерного комплекса - мультипетаваттная (>10¹⁵ Вт).

Еще одно направление, как рассказал старший научный сотрудник Игорь Шерстов, развивают в лаборатории инфракрасных лазерных систем: "В области наших интересов дистанционный и локальный анализ газового состава атмосферы, экологический мониторинг, химическая разведка. Разрабатываем CO₂-лазеры собственной патентованной конструкции. Наши приборы нашли применение и в медицине. Так, в организме больных людей заводятся специфические бактерии, которые по своему "дышат". И мы предложили лазерный газоанализатор, который может диагностировать состояние здоровья человека по выдыхаемому воздуху и газовому следу бактерий.

В лаборатории разработана целая линейка компактных лазеров. Один из них, переносной лазерный течеискатель "Карат", создан с целью регистрировать утечки элегаза (SF₆), широко используемого в высоковольтном и импульсном оборудовании в качестве газового изолятора. "Карат" работает в режиме непрерывного забора пробы воздуха со скоростью 10 см /с, "обнюхивая" элегазовое оборудование, имеет встроенный аккумулятор, позволяющий непрерывно функционировать в течение 6 ч. Пороговая чувствительность устройства очень высокая, на уровне 1 ppb (1 частица на миллиард). "Конкурентов при таком "обонянии" у нас практически нет, - отметил Шерстов. - Ближайшие серийные приборы имеют чувствительность по SF₆ на уровне 1 ppm (1 частица на миллион), т.е. в 1000 раз хуже. На сходном принципе детектирования создано устройство по обнаружению паров взрывчатки. Правда, по пороговой чувствительности и селективности оно уступает газовым хроматографам. Однако главное достоинство наших приборов - они работают в реальном времени, почувствовали - и мгновенно отреагировали".

Садыкова Е. Плазма, фемосекунды и сверхкороткие импульсы. - "Наука в Сибири", 2011, N 19

Материал подготовил Сергей МАКАРОВ

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: