В Институте сильноточной электроники СО РАН на гибридной лазерной системе THL-100, не имеющей мировых аналогов, достигнута рекордная для видимой области спектра пиковая мощность 40 ТВт. Этот результат вошел в число важнейших результатов по физике в Сибирском отделении РАН по итогам 2019 года.

Работы по получению сверхмощных фемтосекундных лазерных импульсов были начаты в ИСЭ СО РАН в 2008 году по инициативе научного руководителя института академика Геннадия Месяца, в то время директора Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. Обычно сверхмощные лазерные системы создают на основе твердотельных кристаллов, и они работают в инфракрасной области спектра. Новизна идеи ученых ФИАН и ИСЭ состояла в том, чтобы построить лазерный комплекс по гибридной схеме: с твердотельным задающим генератором на кристаллах титан-сапфира и выходным лазером-усилителем с газовой активной средой. По оценкам, такое устройство должно было получиться более простым и существенно менее дорогим в изготовлении. Кроме того, открывалась возможность получать рекордные мощности излучения уже в видимом, а не в инфракрасном диапазоне.

– Уникальным в такой системе является именно выходной лазерный усилитель, – рассказывает завлабораторией газовых лазеров ИСЭ СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Валерий Лосев. – Для усиления сверхкоротких импульсов излучения используется особый широкополосный лазерный переход C-A эксимерных молекул ксенон-фтор. Накачка активной среды двухступенчатая: сначала сильноточным электронным пучком возбуждается чистый ксенон, а затем получающимся жестким ультрафиолетовым излучением осуществляется фотонакачка рабочей смеси. На выходе системы – голубой свет.

В 2008 году был построен и передан в ФИАН первый гибридный лазер, на котором были получены мощности излучения в единицы тераватт. Вскоре была запущена и вторая система – THL-100 (от англ. Terawatt Hybrid Laser). Цифра 100 в названии означала мощность импульсов излучения в тераваттах, которую планировалось получить.

Создание обеих систем стало возможным благодаря использованию в качестве источников энергии уникальных наносекундных сильноточных генераторов, разработанных в ИСЭ СО РАН под руководством академика Бориса Ковальчука. В первом случае это вакуумный генератор импульсных напряжений, во втором – линейный импульсный трансформатор.

Система THL-100 осталась в Институте сильноточной электроники, и начались исследования. Путь к мощностям излучения в десятки тераватт мощностей оказался далеко не быстрым и полным неожиданностей. Чрезвычайно сложным было прямое усиление фемтосекундных импульсов. Огромные пиковые мощности излучения вызывали распад структуры лазерного пучка, приводили в негодность зеркала и другие оптические элементы. Пришлось при усилении лазерного импульса задействовать цепочку «растяжение – усиление – сжатие». Система оказалась высокотребовательной к качеству излучения задающего генератора. Тем не менее в 2012 году удалось получить мощность в 14 тераватт – тогда это стало в видимой части спектра мировым рекордом.

Достигнутая в 2019 году мощность 40 тераватт – результат целого ряда усовершенствований. Повышение мощности реализовано за счет повышения энергии на выходе системы (с 0,7 до 1,2 джоуля) и сокращения длительности импульса излучения с 50 до 30 фемтосекунд. Увеличена однородность пучка, увеличена ширина спектрального контура.

– По-видимому, в пределах нашей исходной концепции мы подошли к пределу возможностей, – отмечает Валерий Федорович. – Дальнейшее повышение мощности излучения может быть связано с использованием более сложных систем компрессии лазерных импульсов на основе больших дифракционных решеток. Мы начали двигаться в этом направлении. Остановиться невозможно: коллеги из США недавно получили более 100 тераватт в твердотельной системе, правда, ценой больших энергозатрат. Теперь ответ за нами.

Кроме чисто фундаментальных исследований (например, получение релятивистской плазмы в экстремально интенсивных оптических полях), сверхмощные фемтосекундные лазерные импульсы можно использовать для создания лазерного источника в мягком рентгеновском диапазоне. Такой лазер является желанным инструментом в биологии – для визуализации процессов в живой клетке.

Идея ученых ФИАН и ИСЭ состояла в том, чтобы построить лазерный комплекс по гибридной схеме: с твердотельным задающим генератором на кристаллах титан-сапфира и выходным лазером-усилителем с газовой активной средой.

Автор: Елена Прошина

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

18 − 15 =