 |
|
|
|
|
ЗАРЕЦКИЙ Алексей Иванович
Россия город Саров, начальник лаборатории ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ выпускник 1967 года. кандидат физико-математических наук, лауреат Государственной премии
" ЛАЗЕРЫ ВО ВСЕРОССИЙСКОМ НИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ " Мы, выпускники кафедры теоретической и прикладной физики физико-технического факультета УПИ Изгородин В. М ( 1966 год ); Зарецкий А.И. ( 1967 год ), Зыков Л.И. ( 1969 год ), Щуров В .В. ( 1969 год ) распределились во Всероссийский НИИ экспериментальной физики ( ВНИИЭФ ) в подразделение ( ныне - институт ) лазернофизических исследований - ИЛФИ, и по настоящее время работаем во ВНИИЭФ-ИЛФИ. Физтех для нас был определяющей школой, и мы с любовью и благодарностью вспоминаем те незабываемые годы учебы, где нам на очень высоком теоретическом и практическом уровне дали знания и привили тягу к новому в науке и самостоятельному познанию. Все это позволило нам лучше проявить себя в дальнейшей творческой работе. Ниже мы приводим основные направления работ нашего института и сообщаем краткие данные о нас, как о научных сотрудниках ИЛФИ. Возможно, это заинтересует будущих выпускников физтеха, и кто-то из них пожелает устроиться на работу во ВНИИЭФ-ИЛФИ, г. Саров ( бывший Арзамас-16 ). ВВЕДЕНИЕ НАЧАЛОМ РАБОТ ПО ЛАЗЕРНОЙ ТЕМАТИКЕ В РФЯЦ-ВНИИЭФ ПРИНЯТО СЧИТАТЬ 13 МАРТА 1963 ГОДА. Именно в этот день Ю.Б. Харитон провел совещание, где Я.Б. Зельдович изложил физику вынужденного излучения и объяснил, почему основные свойства лазерного излучения определяются механизмом этого явления. ОСНОВНОЕ ЗДАНИЕ РФЯЦ-ВНИИЭФ
центре, основной тематикой которого была работа над ядерным оружием ? Это связано с тем, что лазер является уникальным устройством, энергию излучения которого можно концентрировать в малом объеме. В результате появляется возможность проведения исследований в области физики высоких плотностей энергии. Такие возможности привлекли внимание А.Д. Сахарова, который в 1961 году предложил использовать мощное лазерное излучение для инициирования термоядерных реакций в малых объемах. При взрыве термоядерного заряда физические процессы происходят при высокой плотности энергии. Без ядерных испытаний изучать в полном объеме эту область физики невозможно. Можно, однако, улучшать понимание физики процессов, совершенствуя расчетно-теоретические модели и тестируя их в лабораторных опытах, где высокая плотность энергии создается в течение более короткого времени и в меньшем объеме. Экспериментальные работы по лазерной тематике начались в середине 60-х годов. В 1965 году к Ю.Б. Харитону обратился Н.Г. Басов с предложением провести совместные исследования возможности создания лазеров с максимально достижимой энергией излучения на базе фотодиссоционных лазеров. После чего начались совместные исследования сотрудников ФИАН и ВНИИЭФ по созданию мощных лазеров. Результатом более чем 30-летней работы сначала отделения, затем Института лазерно-физических исследований стало всестороннее изучение основ работы различных типов мощных лазеров, создание их уникальных образцов, исследовательских стендов и установок, проведение исследований по взаимодействию лазерного излучения с веществом. ВЗРЫВНЫЕ ФОТОДИССОЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ На этом принципе во ВНИИЭФ, в кооперации с ФИАН и ГОИ, был создан лазер мегаджоульного уровня энергии при длительности импульса ~100 мкс. Параметры излучения этого лазера до сегодняшнего дня остаются рекордными по уровню энергии для импульсных лазеров любого типа. Реализация этого проекта стала яркой иллюстрацией возможностей, которые открывает сочетание разрушительной силы взрыва и тонких когерентных свойств лазерного излучения. Основными характеристиками лазера являются энергия и расходимость лазерного пучка, т.е. сила излучения. Расходимость излучения первых образцов ВФДЛ превышала дифракционную в тысячи раз. 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 с энергией излучения до 60 кДж при расходимости ~ 10-4 рад, который до сих пор находит широкого применения 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 1014 Дж/ср ( 1019 Вт/ср ). В ЗАЛЕ МУЗЕЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ РФЯЦ-ВНИИЭФ
на установке « Лямбда », 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 импульсов наносекундной длительности это значение является рекордным. В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан специализированный стенд, оборудованный современной контрольно-измерительной аппаратурой, приземными, воздушными и вакуумными трассами для исследования и моделирования прохождения излучения в различных слоях атмосферы. ХИМИЧЕСКИЕ ФТОР-ВОДОРОДНЫЕ ЛАЗЕРЫ В 1970 году были начаты исследования в области создания мощных импульсных химических лазеров, инверсия населенности в которых формируется в результате цепной химической реакции фтора с водородом ( дейтерием ). Привлекательной особенностью химических лазеров является то, что в них энергия лазерного излучения черпается не столько из внешнего источника накачки, сколько из энергии, выделяющейся при протекании химических реакций в среде. Получены рекордные значения удельной энергии лазерного излучения, приходящейся на единицу объема активной среды : 250 Дж/л. Совместно с РНЦ « Прикладная химия » во ВНИИЭФ был создан и испытан самый мощный в мире химический лазер с энергией в импульсе 40 кДж. Анализ возможности использования химических лазеров с взрывной накачкой показал, что существенно большей перспективой применения обладают неуничтожаемые системы, работающие в импульсно-периодическом режиме. Инициирование химической реакции в этом случае обеспечивается свободными электронами, которые могут быть получены либо в ускорителе в виде электронного пучка, либо в электрическом разряде. Результатом проведенных исследований импульсно-периодических химических лазеров стал химический лазер с энергией излучения в импульсе 6 кДж, расходимостью излучения, близкой к дифракционной, техническим КПД ~ 70% ( самым высоким для лазеров вообще ), частотой следования импульсов 1-4 Гц. Разработана концепция масштабирования электро-разрядных лазеров с пластинчатыми электродами, создан химический лазер с энергией в импульсе более 10 Дж. В настоящее время такие лазеры находят широкое практическое применение. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ К началу 70-х годов резко возрос поток научных публикаций, посвященных исследованиям газодинамических лазеров ( ГДЛ ). Связано это было с тем, что первые же работы показали возможность создания мощных газодинамических лазеров непрерывного действия на двуокиси углерода. В газодинамических лазерах источником энергии излучения служит тепловая энергия молекулярного газа, равновесно нагретого до высоких температур. Инверсия получается в результате того, что различные колебательные моды молекул газа при быстром охлаждении релаксируют с различной скоростью. Для охлаждения используется сверхзвуковое расширение газа. Такие лазеры могли найти применение в промышленности и оборонной технике. Рекордные удельные энергетические характеристики излучения ГДЛ достигнуты благодаря изобретению в РФЯЦ-ВНИИЭФ соплового блока с оригинальной системой смешения нагретого азота с рабочей молекулой ( CO2 ) и газом-релаксантом ( He, H2O ). По этим характеристикам ГДЛ превосходит электроразрядные лазеры и близок к лучшим образцам химических лазеров. КИСЛОРОДНО-ЙОДНЫЕ ЛАЗЕРЫ
лазер на электронных переходах. КИЛ начинается с генератора молекулярного синглетного кислорода, энергия возбуждения которого при столкновениях передается с высокой эффективностью атомам йода. Это открывает возможности получения высокой мощности излучения с малой расходимостью светового излучения. Во ВНИИЭФ на базе стенда « Синглет » была успешно испытана сверхзвуковая модель КИЛ. В результате оптимизационных исследований была достигнута химическая эффективность лазера 33%, что является результатом мирового уровня. Модернизация нового типа генератора синглетного кислорода и соплового блока дала возможность повысить мощность лазерного излучения КИЛ до уровня более 7 кВт. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО Во ВНИИЭФ созданы различные импульсные, частотно-импульсные и непрерывные лазеры со спектром излучения от видимого до далекого инфракрасного света и временем воздействия на мишень в диапазоне от 10-12 до 1 с. Эти разработки дали возможность изучить особенности физических процессов, возникающих при взаимодействии излучения с веществом. Основное отличие исследований, проводимых во ВНИИЭФ, от исследований в других российских и зарубежных лабораториях обусловлено наличием лазерных установок с энергией в лазерном пучке до десятков и даже сотен килоджоулей. Одновременно с экспериментами проводятся теоретические исследования физических процессов, сопровождающих взаимодействие излучения с веществом. Созданы и продолжают развиваться расчетные модели, адекватно описывающие наблюдаемые процессы. Численные эксперименты на этих моделях позволяют получить представление об условиях в мишени, что невозможно пока в натурном эксперименте. Весьма интересным и перспективным является изучение особенностей воздействия суперкоротких фемтосекундных лазерных импульсов на твердую мишень с целью получения релятивистских пучков электронов, протонов и ионов, рентгеновских и гамма-квантов. Во ВНИИЭФ создан уникальный лазерный стенд, на котором выполнены пионерские эксперименты по комбинированному воздействию на материалы лазерного излучения и набегающего газового потока. ЗДАНИЕ УСТАНОВКИ “ИСКРА-5” МОЩНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКИ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В НАЧАЛЕ 60-Х ГОДОВ XX ВЕКА ВСЛЕД ЗА МАЗЕРОМ БАСОВА, ПРОХОРОВА, И ТАУНСА БЫЛ СОЗДАН ПЕРВЫЙ ЛАЗЕР МЕЙМАНА.
Возможность фокусировать лазерное излучение в малые размеры и получать при этом высокую плотность энергии и мощности инициировала волну предложений об использовании лазеров для решения проблемы термоядерного синтеза в лабораторных условиях. Одно из первых предложений исходило от Сахарова, который, узнав о появлении первого лазера, предложил на семинаре в теоретическом отделении эллиптическую схему лазерного облучения маленькой оболочки, содержащей термоядерное топливо. В 1979 году начала работу 10-тераваттная одноканальная установка « Искра-4 » с энергией лазерного импульса ЕL до 2 кДж и длительностью tL ~ 100-300 пс, на которой сферическая термоядерная мишень освещалась четырьмя лазерными пучками на длине волны 1,315 мкм. В экспериментах на этой установке получен рекордный для России выход термоядерных нейтронов ~108 на мишенях прямого облучения ( МПО ) и ~ 2х109 ДТ нейтронов на мишенях типа МОК. В мишенях МОК была достигнута температура ДТ ионов 7 кэВ. КАМЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УСТАНОВКИ “ИСКРА-5” В 1989 году была запущена 12-канальная установка « Искра-5 » мощностью 120 ТВт, не имеющая аналогов в Европе и Азии ( ее по мощности превосходила лишь установка NOVA в США ). « Искра-5 » является основой экспериментального комплекса, включающего в себя камеру взаимодействия с фокусирующей оптикой и средства диагностики плазмы. Проводимые работы убедительно демонстрируют эффективность использования лазерных установок для исследования явлений, протекающих в горячей плотной плазме. Направления этих исследований таковы : 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. На лазерной установке « Искра-5 » проводятся исследования отдельных процессов, которые в конечном итоге определяют физику работы мишени. При этом перед исследователями ставится задача по совершенствованию диагностических методик с целью повышения их пространственно-временного и спектрального разрешения. С этой целью на установке « Искра-5 » развиваются исследования по созданию лабораторного рентгеновского лазера. В 2001 году удалось впервые в России продемонстрировать его работу. В 1996 году РФЯЦ-ВНИИЭФ выступил с предложением о создании лазерной установки нового поколения с энергией, на порядок превышающей энергию установки « Искра-5 ». УСТАНОВКА ПОЛУЧИЛА НАЗВАНИЕ « ИСКРА-6 » 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, однородность облучения мишени (1-3)%. Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики горячей и плотной плазмы. ЗАЛ УСТАНОВКИ “ЛУЧ” Базовым модулем установки « Искра-6 » 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< ). Тем самым повышается энергосъем запасенной в них энергии. Кроме того, четыре лазерных канала объединены в блоки ( 2х2 ) с единой системой накачки на основе ксеноновых ламп. Схема усиления включает в себя два силовых усилителя, в каждом из которых располагаются девять неодимовых пластин. В поперечном сечении лазерный пучок представляет собой квадрат размером <20х20 см. Установка « Луч » располагается в специальном здании, в помещении площадью ~ 600 м2 и уровнем чистоты 300 пылинок в кубическом футе. Внутри имеются сверхчистые боксы для силовых усилителей и оптики с уровнем чистоты три пылинки в кубическом футе. Проведены эксперименты по исследованию усиления импульса излучения длительностью T0,5=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. Работы по созданию установки « Луч » и исследованию усиления лазерного излучения позволили подтвердить основные научно-технические решения, закладываемые в схему установки « Искра-6 ». В настоящее время завершены эскизный и технический проекты установки и проводится подготовка производства ее основных элементов. В последние годы наблюдается стремительный прогресс в разработке и создании твердотельных лазерных систем с импульсами фемтосекундной длительности ( 1 фс=10-15 с ) субпетаваттной и петаваттной мощности. С вводом в строй установки « Луч » открывается уникальная возможность получения на базе канала этой установки сверхмощных лазерных импульсов. К настоящему времени создана стартовая система с выходной мощностью до 1 ТВт. Проведены исследования физики и техники параметрического усиления. Отработаны основные элементы создаваемой системы, включая стретчер, компрессор на высокоапертурных дифракционных решетках и параметрические усилители на основе кристаллов DKDP. В экспериментах на выходе установки получена энергия около 50 Дж при длительности скомпрессированного импульса 25 фс, что соответствует мощности лазерного излучения около 1ПВт.
добавления следующего каскада параметрического усиления с диаметром силовой апертуры 200 мм, накачка которого будет осуществляться преобразованным во вторую гармонику ( энергией Е2(X) 2 кДж ) излучением одного канала установки « Луч » и последующей компрессией усиленного чирпированного импульса. Скомпрессированное излучение будет направляться в камеру взаимодействия установки « Луч » и фокусироваться на мишень внеосевым параболическим зеркалом. Ожидаемая интенсивность облучения на мишени должна составить не менее 1020 Вт/см2. Лазерная стендовая база, созданная в институте лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ, уникальна. Она является достоянием научного сообщества России. На лазерных установках получен целый ряд результатов мирового уровня. Специалисты ИЛФИ в кооперации с коллегами различных институтов провели широкий круг исследований по проблемам физики высоких плотностей энергии. Ученые лазерного института активно участвуют в воспитании нового поколения ученых и специалистов. ИЛФИ является базовым институтом для двух кафедр в высших учебных заведениях : кафедры квантовой электроники Саровского физико-технического института и кафедры проблем инерциального термоядерного синтеза Московского физико-технического института. |
|
|
|
| Издательство " DiaKon * ДиаКон" | Инициатор проекта Яремко А.Н. |