Лазеры в ГОИ имени С.И. Вавилова: от первого рубинового до новейших разработок

А.А.Мак, докт. физ.-мат. наук,
профессор.
Ан.А. Мак, канд. физ.-мат. наук.
   Формирование лазерного направления в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (ГОИ) началось в 60-х годах прошлого столетия. Первый в СССР лазер — рубиновый — ровесник нашей космонавтики. Он был запущен в ГОИ в отделе А.А. Лебедева старшим научным сотрудником Л.Д.Хазовым
при участии И.М. Белоусовой 2 июня 1961г. Импульс развитию нового направления был дан, и работы по лазерам стали быстро развиваться. Этому способствовал мощный институтский коллектив физиков-оптиков (А.А. Лебедев, М.П. Ванюков, А.М. Бонч-Бруевич, П.П. Феофилов, Е.Н. Царевский),наличие развитых технологий по ряду основных элементов и узлов лазеров, а также первоклассная школа оптотехников,возглавляемая В.П. Линником.
   Огромное значение имело наличие в Институте большого числа молодых энергичных ученых, быстро освоивших лазерную тематику. В 1971 году на базе лаборатории был создан лазерный отдел ГОИ, а в 1993 году отдел преобразован в НИИ Лазерной физики (в 2005 году переименован во ФГУП «Научно-производственная корпорация «ГОИ им. С.И. Вавилова»).
   За прошедшие 50 лет Государственный оптический институт стал одним из ведущих центров страны в области лазеров, многие выполненные здесь исследования и разработки оказали ощутимое влияние на развитие ряда направлений в лазерной физике и технике.В начальный период развития (60-е годы) в центре внимания наших специалистов были процессы, протекающие в самих лазерах. Приоритетные направления научных работ были связаны,прежде всего, с требованием реализации малой расходимости и высокой стабильности лазерного излучения. Эти направления и сегодня являются важнейшими в теоретических и экспериментальных исследованиях, но при этом существенно расширились методы и объекты исследований, возникли принципиально новые области приложений.
   На разных этапах работы коллектив проводил исследования по следующим направлениям:
1. термические возмущения в лазерах, в том числе в активных средах;
2. компенсация различного рода оптических возмущений в лазерах;
3. динамика излучения твердотельных лазеров;
4. модовый состав излучения, конкуренция мод в резонаторе лазера;
5. оптические резонаторы, включая неустойчивые типы резонаторов;
6. высокочувствительные лазерные измерения;
7. проблемы повышения энергетической эффективности лазеров, включая поиск эффективных активных сред,систем и источников накачки;
8. нелинейно-оптические методы управления характеристиками лазерного излучения (направленность, длительность, спектральный состав);
9. создание мощных лазеров с предельно малой расходимостью излучения и возможностью управления диаграммой излучения, формой и длительностью импульсов, возможностью преобразования спектра излучения в коротковолновую область, включая рентгеновскую.
    По ряду перечисленных направлений работы коллектива определяли мировой уровень или соответствовали ему. Этим был обусловлен достаточно высокий международный авторитет ГОИ.
    В 1970-1990 г.г. наши специалисты создали ряд уникальных лазеров и систем на их основе. Под научным руководством сотрудников Института промышленностью было освоено большое число лазерных систем, более двух десятков из них было принято на вооружение армии.Вышло в свет множество научных статей
и монографий.
    Большое влияние на развитие лазерной техники оказали разнообразные применения лазерных источников излучения — в промышленности, медицине, научных исследованиях, информационных комплексах, военном деле и многих других областях. Одной из самых крупномасштабных в 70-80-е годы была программа лазерного термоядерного синтеза (ЛТС).В ее рамках реализованы лазерные термоядерные установки с энергией излучения в десятки и сотни килоджоулей. Весьма специфичные, жесткие требования как к характеристикам излучения в подобных установках (форме и длительности импульса, равномерности облучения, контрасту излучения), так и к параметрам самих лазерных установок (кпд, энергии,надежности) в значительной мере влияли и влияют на развитие научного поиска.
    B ГОИ работы по ЛТС были начаты в 1963-1964 г.г. Созданная здесь 6-канальная лазерная установка «Прогресс» позволила,по-видимому, впервые в мире произвести эксперименты со сферическими мишенями при импульсах излучения с управляемой формой и длительностью.
     Огромное значение придавалось работам по компрессии импульсов на основе обратных вынужденных рассеяний. Возможность сжатия длительности импульса в 30-100 раз при сохранении 80-90% энергии излучения открывало новые перспективы в лазерном приборостроении.
    Очередным «стимулом» лазерных исследований во всем мире стала «стратегическая оборонная 55
инициатива», провозглашенная президентом США Рейганом. В

Советском Союзе работ такого масштаба не было, однако в ряде лабораторий, в том числе и в ГОИ, проводились исследования, позволявшие отслеживать ситуацию и оценивать реальную готовность США к созданию «лазерного зонтика».
   В то же время эти работы представляли и самостоятельный научный интерес.Для поражения лазерным пучком взлетающей ракеты необходимо было создать в её уязвимой области плотность
излучения, превышающую некоторый порог. Для оснащенной современными средствами защиты ракеты при заданном расстоянии до цели величина угловой расходимости и соответственно погрешности наведения не должна превосходить 10-7 рад. Различным аспектам этой тематики посвящены работы целого ряда сотрудников ГОИ.
   Исследования, дополненные бурным развитием методов численного моделирования оптических процессов в лазерах и системах на основе лазеров, позволили вплотную приблизиться к реализации близких к дифракционному пределу угловых расходимостей лазерного излучения в условиях довольно высоких значений энергии излучения.
    Следует отметить, что в работах ГОИ по лазерам и их приложениям характерным является широкое использование чисто оптических, основанных на принципах нелинейной и когерентной оптики методов управления лазерным излучением, в том числе и на основе самонастраивающихся систем. В 60-х годах это были генерация гармоник излучения, параметрическая генерация света, модуляция добротности на основе фототропных сред. Затем в начале 70-х был предложен и начал использоваться эффект обращения волнового фронта (ОВФ), позволивший реализовать и самонастраивающиеся системы типа ВРМБ-зеркал, и управляемые системы — зеркала на основе динамических голограмм. Сегодня системы с ОВФ-зеркалами обеспечивают и динамическую коррекцию аберраций в лазерных системах, в оптических системах, включая
проектирующую оптику, и высокоточное наведение лазерных пучков.
    Много внимания и сил уделялось работам по применению лазеров в информационных комплексах (системах управления, связи), которые в значительной мере диктовали основные требования и прикладные направления в лазерной технике. Прежде всего, следует отметить работы по повышению эффективности твердотельных лазеров, их надежности.В этой связи стоит упомянуть работы по увеличению коэффициента полезного действия твердотельных лазеров за счет усовершенствования источников и систем накачки. Системы накачки, построенные на принципе «светового котла», позволили поднять КПД неодимовых лазеров
до 10%. Такой «котел» основан на возможности увеличения доли поглощаемой активной средой энергии накачки за счет ее хорошего «запирания» в замкнутой оптической системе.Значительное место в работах лазерного отдела ГОИ занимали исследования и разработки твердотельных лазеров с высокостабильными параметрами излучения. Появление стабильных по частоте излучения твердотельных лазеров мощностью от единиц милливатт до ватт, открывало новые области их использования в измерительных и информационных системах (например, в доплеровской локации). Следует заметить, что первоначально твердотельные лазеры относились к числу лазеров с самыми нестабильными параметрами. Однако за два последних десятилетия произошел огромный прогресс в стабилизации как амплитудных,так и частотных характеристик излучения.
    Ряд метрологических задач ставит проблему достижения долговременной стабильности частоты излучения. 56
Применительно к твердотельным лазерам эта задача решалась способом привязки частоты излучения к узким реперным линиям поглощения. Для излучения на длине волны 1,064 мкм в качестве репера были использованы пары молекулярного цезия. Достигнутая величина долговременной стабильности частоты излучения гранатового лазера составила 10-10, что позволяет приступить к практической реализации стандарта частоты вблизи 1 мкм. Востребованность разработок позволила НИИ Лазерной физики в сложное время перестройки сохранить и развить научно-технический потенциал, чему способствовали широкие научные и производственные связи с большим числом фирм Германии, США, Великобритании,Франции, Японии, Италии, Китая, Южной Кореи и др.     В 1990-х — начале 2000-х г.г.специалисты Института успешно решали такие задачи как:
— разработка методов генерации ультракоротких импульсов в лазерных системах с компрессией импульсов для создания световых полей и создание пикосекундных лазеров мощностью до 10 ТВт,способных концентрировать на мишени излучение с интенсивностью до 1019 Вт/см2 (эти мощные лазеры позволяют получать рентгеновское излучение с интенсивностью до 1015 Вт/см2);
— разработка типоряда твердотельных лазеров зеленого диапазона длин волн с лазерной диодной накачкой;
— создание совместно с международным бюро стандартов BIPM (Sevres,France) малогабаритного вторичного
лазерного стандарта частоты излучения,перспективного для использования в высокочастотной интерферометрии и нанометрии;
— развитие техники и технологии устройств для нелинейной коррекции аберраций в лазерных и оптических элементах в широком спектральном интервале, позволяющих реализовать близкую к дифракционной расходимость излучения мощных лазеров, создавать облегченные оптические системы для решения различных задач, в том числе для мониторинга окружающего пространства, систем доставки лазерного излучения в космосе и в турбулентной атмосфере;
— создание нового поколения лазеров безопасного для глаз спектрального диапазона, в том числе двухволновых лазеров;
— реализация перспективных мощных лазеров с диодной накачкой со средней мощностью излучения >1 кВт и расходимостью, близкой к дифракционной;
— разработка мощных щелевых СО2-лазеров с высокочастотной накачкой со средней мощностью излучения более 2 кВт и расходимостью пучка, близкой к дифракционной;
— создание оптических ограничителей лазерного излучения видимого, ближнего и среднего ИК диапазона (для видимого и ближнего ИК диапазонов созданы нелинейно-оптические устройства на основе фуллеренсодержащих и полупроводниковых сред с быстродействием от 10-12 с и большим динамическим диапазоном);
— разработка теории бистабильных систем (поперечные эффекты, солитоноподобные структуры).
   Сегодня коллектив Института лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им.С.И. Вавилова» насчитывает 90 человек,в том числе 10 докторов и 30 кандидатов наук. Ядро коллектива составляют ученые с мировым именем — профессора И.М. Белоусова, Н.Н. Розанов, В.А. Серебряков, О.Б. Данилов, к.ф.-м.н. В.В.Любимов, много способной молодежи.
   Благодаря тому, что ИЛФ удалось сохранить и развить задел в области разработки лазерных систем, с ростом финансирования по линии государственных программ, к настоящему времени восстановились и активно развиваются связи со многими российскими предприятиями отрасли.
   Результаты исследований и разработок, проводимых в последние годы,послужили основой создания на базе ИЛФ высокотехнологичного производства, обеспечивающего выпуск малых серий твердотельных лазеров, соответствующих, а зачастую превосходящих лучшие зарубежные аналоги.
Приведённые ниже исследования и разработки выполняются в рамках заказов различных отечественных и зарубежных предприятий и ведомств.Перечень разрабатываемых и выпускаемых твердотельных лазеров достаточно широк: лазеры с диодной накачкой; лазеры с управляемой диаграммой излучения;лазеры с высокой стабильностью параметров излучения; лазеры безопасного для зрения диапазона излучения; высокомощные лазеры; лазеры с перестройкой частоты излучения от УФ до среднего ИК диапазона.
   Разнообразны и области их применения — информационные системы, в том числе дальнометрия, локация, лидары,а также системы защиты. Разрабатываются также компактные частотные лазеры с диодной накачкой для систем измерения дальности, миниатюрные лазеры для пилотажно-навигационных систем (руководитель разработок — к.ф.-м.н.В.А. Беренберг), мощные лазеры с внутренним управлением диаграммой направленности для локаторов (руководитель — А.Ф. Корнев), компактный перестраиваемый лазер диапазона 3-5 мкм (руководитель — проф. В.А. Серебряков).
   Для решения задач космической локации создано лазерное передающее устройство для измерения дальности с параметрами излучения 12 Дж/имп, 100 Гц. В рамках международной космической программы «Фобос-Грунт» разработан лазерный передающий модуль высотомера для спускаемого на Фобос космического аппарата (руководитель разработки — В.П. Покровский).
    Ряд разработок лазеров безопасного для глаз диапазона доведен до промышленного серийного выпуска: 1,5-мкм лазер на эрбиевом стекле с ламповой накачкой для дальномеров, 1,5-мкм частотный лазер на эрбиевом стекле с диодной накачкой,1,06/1,54-мкм двухволновый лазер на алюмоиттриевом гранате. Ведутся новые разработки лазеров по заказам отечественных предприятий (главный конструктор изделий — к.т.н. В.А. Бученков).
    Среди задач, которые необходимо решить для создания научно-технического и технологического заделов на будущее, — получение новых перспективных активированных сред, разработка эффективных систем накачки,создание элементной базы (модуляторы,резонаторы, оптические элементы), разработка новых принципов построения лазеров.
   Под руководством главного конструктора изделия к.ф.-м.н. А.П. Жевлакова создан и после проведения натурных летных испытаний сдан заказчику (дочернему предприятию «Газпрома») экспериментальный образец бортового лидара-газоанализатора для лазерного аэропоиска утечек газа.
    В планах — создание промышленного образца многофункционального лидара,отличающегося от аналогов ультравысоким спектральным разрешением в сочетании с широким диапазоном длин волн.Расширение спектрального диапазона (λ=0,2-12 мкм) и создание многофункциональных автоматизированных локаторов и лидаров нового поколения связано с использованием отработанных в ИЛФ новейших технологий в области твердотельных лазеров с диодной накачкой,газовых СО2-лазеров (щелевых, волноводных), высокопрецизионной и дисперсионной оптики, фотоприемных устройств и когерентного приема сигналов.
    В отделе «Газовые лазеры» под руководством профессора О.Б. Данилова в течение многих лет разрабатываются мощные СО2-лазеры щелевого типа с большим ресурсом работы. Изготовлены и поставлены заказчикам лазеры со средней мощностью излучения 2,2 кВт и 4 кВт. В соответствии с новыми задачами,на базе этого отдела создан отдел «Нанофотоника», возглавляемый профессором И.М. Белоусовой.
      Под руководством профессора О.Б. Данилова и д.ф.-м.н. В.М. Киселева в порядке продолжения исследований, проводившихся ранее с фотодиссоционным газовым йодным лазером, была выполнена работа «Фуллерен-кислород-йодный лазер с оптической, в том числе солнечной накачкой». Её цель — создание нового типа газового лазера на базе применения новых фуллеренсодержащих материалов. Практическая реализация этого типа газового лазера была осуществлена в ИЛФ впервые в мире, на принцип его работы был получен патент РФ. На базе достигнутых в данном направлении научных результатов была получена поддержка проекта ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова» «Преобразование солнечной энергии в лазерное излучение с использованием фуллеренкислород-йодного лазера с солнечной накачкой» в рамках ФЦП по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение».
    Хорошо известны работы Института лазерной физики в области нанофотоники. К научным направлениям, развиваемым под руководством профессора И.М.Белоусовой, относятся оптика фуллеренов, нелинейноптические приложения наноструктур для управления лазерным излучением, создание твердофазных фотосенсибилизаторов на основе наноструктур-фуллеренов для инактивации вирусов в плазме и препаратах донорской крови. Области применения — ограничители лазерного излучения (защита глаз и оптико-электронных приборов), медицина, информатика.
    Важной задачей является разработка принципов и реализация быстродействующих нелинейно-оптических устройств защиты от лазерного излучения приемников и органов зрения. В рамках её решения ведется разработка технологий производства нового поколения нелинейно-оптических композитных материалов на основе фуллеренсодержащих сред и полупроводниковых наноструктур, а также наноструктур «полупроводник-металл».
    Под руководством к.ф.-м.н. И.М. Кислякова ведутся исследования в области лазерной фуллеренислородной терапии,разработка аппаратуры и технологии по обеспечению инфекционной Фуллерен-кислород-йодный лазер с солнечной накачкойбезопасности плазмы донорской крови с помощью наноструктур.
   Наряду с этим в Институте продолжают развиваться радиционные направления исследований: дифракционная расходимость лазерного излучения, методы компенсации оптических возмущений

в оптике и среде распространения излу-
чения, высокоточное наведение лазеров.
Области применения — оптимизация доставки лазерного излучения на значительные расстояния (в том числе космические). Ведутся работы по технологии
фазирования волоконных лазеров методами нелинейной оптики (руководитель — к.ф.-м.н. С.А. Димаков).
    Для ИЛФ всегда было характерно сочетание экспериментальных и прикладных работ с глубокими теоретическими исследованиями, результаты которых во многих случаях реализуются на практике.Под руководством профессора Н.Н. Розанова коллектив теоретического отдела Институт, помимо других научных проблем, развивает теорию диссипативных оптических солитонов.
     Этот класс солитонов представляет собой устойчивые структуры света,локализованные за счет баланса притока энергии (например, за счет нелинейного усиления) и потерь. Они были предсказаны в 1980-х годах теоретиками ГОИ-ИЛФ, которые затем развили их последовательную теорию. Сейчас диссипативные оптические солитоны активно изучаются во многих лабораториях Европы, США, Японии в связи с их перспективностью для информационных приложений. В настоящее время в ИЛФ НПК «ГОИ» в рамках грантов РФФИ и контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям ведутся теоретические исследования солитонов как перспективных носителей информации в телекоммуникационных устройствах.
    Помимо научной деятельности, наши сотрудники занимаются преподаванием — читают лекции в ряде ведущих ВУЗов Санкт-Петербурга, готовят молодых специалистов, в том числе и для своего Института. С 1977 года ИЛФ является организатором международной конференции «Оптика лазеров», ставшей в настоящее время одним из крупнейших мировых форумов ученых и специалистов,занятых разработкой, изготовлением и применением лазеров и лазерных систем.В июне 2010 года состоялась очередная 14-я конференция, собравшая около 700 специалистов из 35 стран мира. Следующая 15-я международная конференция «Оптика лазеров» состоится с 25 по 29 июня 2012 года в г. Санкт-Петербурге.
    С 1996 года лазерная научная школа ГОИ неизменно является победителем конкурсов на звание ведущей научной школы России и получает Гранты Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ.
   Коллектив Института лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова» с уверенностью смотрит в будущее,участвует в большинстве Комплексных целевых и других государственных программ, включающих лазерную технику.Будущее института — в руках его талантливой молодежи и опытных специалистов.

Be the first to comment on "Лазеры в ГОИ имени С.И. Вавилова: от первого рубинового до новейших разработок"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*