​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

Источники

Сорок триллионов ватт
Томские новости (tomsk-novosti.ru), 04/09/2020

Похожие новости

  • 30/11/2016

    Ученые ТПУ и СО РАН создают модифицированные металлы для строительства космических аппаратов

    ​Ученые Томского политехнического университета и Института сильноточной электроники СО РАН разработали метод нанесения на металлы износостойких покрытий с их последующим вплавлением в подложку. Такие модифицированные материалы, благодаря сочетанию легкости, коррозийной стойкости и прочности, могут использоваться в машиностроении, авиа- и космостроении.
    2560
  • 13/01/2017

    Вышла в свет книга «Создатели российских лазеров»

    ​​Осенью 2016 года Издательский дом «Столичная энциклопедия» выпустил в свет книгу «Создатели российских лазеров». Книга посвящена истории создания, испытаний и промышленного производства отечественных лазеров.
    2830
  • 04/03/2019

    Локатор для взрывчатки

    Лазерный локатор, за разработку которого старшие научные сотрудники томского Института оптики атмосферы им. Зуева СО РАН Евгений Горлов и Виктор Жарков получили президентскую премию, сможет безошибочно определять взрывчатку по мельчайшим частицам в воздухе на дистанции до 50 метров.
    672
  • 06/08/2020

    Международный конгресс «Потоки энергии и радиационные эффекты» онлайн

    ​VII Международный конгресс «Потоки энергии и радиационные эффекты» (ENERGY FLUXES and RADIATION EFFECTS) – EFRE-2020 состоится с 14 по 25 сентября. Под эгидой EFRE традиционно проходят три научных форума: Международный симпозиум по сильноточной электронике, Международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы и Международная конференция по радиационной физике и химии конденсированных сред.
    618
  • 20/09/2018

    Элегаз и гелий подняли эффективность лазера на азоте

    ​Исследователи из Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, Томского государственного университета, Томского политехнического университета и Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники разработали новую модель для изучения накачки азотной рабочей среды для лазеров с наносекундными импульсами.
    770
  • 25/07/2019

    Томские ученые могут очистить и изменить свойства поверхности металла за один раз

    ​Ученые Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) и компании «Пучково-плазменные технологии» собрали установку, которая может очистить поверхность металла, упрочнить ее и задать новые нужные свойства за один технологический цикл.
    553
  • 29/01/2018

    Сибирские учёные разработали эффективный метод для изучения молекул воды

    ​Структура воды, несмотря на многочисленные исследования, продолжает вызывать интерес учёных. Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск) и Института сильноточной электроники СО РАН (г.
    1823
  • 20/09/2018

    Сибирская электронно-пучковая машина отправится в Италию

    ​Установку сделали в Томске по заказу Миланского политехнического университета. Ее презентация прошла на VI международном конгрессе «Потоки энергии и радиационные эффекты» — EFRE-2018. Оборудование, созданное Институтом сильноточной электроники СО РАН (Томский научный центр СО РАН), предназначено для манипулирования поверхностями, состояние которых важно для многих изделий.
    939
  • 01/03/2018

    Томские физики создали миниатюрные голубые струи и красные спрайты

    ​Сотрудники Института сильноточной электроники СО РАН описали открытое и воспроизведенное ими в лабораторных условиях явление апокампа — формирование голубых и красных струй плазмы, возникающих на изгибе канала импульсно-периодического электрического разряда в различных газах.
    1432
  • 09/01/2020

    Ученые удвоят ресурс моторов из алюминия

    ​За счет новой технологии обработки сплавов срок эксплуатации легких алюминиевых двигателей увеличится и станет таким же, как у наиболее распространенных чугунных. Это приведет к улучшению динамики и экономичности массовых моделей автомобилей.
    554