Лазерная физика и нелинейная оптика

Работы в области лазерной физики и нелинейной оптики в ИПФ РАН ведутся, прежде всего, сотрудниками Отделения нелинейной динамики и оптики. В отделении сложились две оптические научные школы. Одна из них, занимающаяся развитием мощных лазерных систем, связана с именами В. И. Беспалова и Г. И. Фрейдмана. Вторая, занимающаяся проблемами квантовой радиофизики, динамики лазеров, прецизионных оптических измерений и фемтосекундной оптики, носит имя школы И. Л. Берштейна и Я. И. Ханина. Огромная роль в становлении данного научного направления в Нижнем Новгороде принадлежит также академику В. И. Таланову, автору многих пионерских работ по нелинейной оптике, стоявшему у самых истоков этой науки в нашей стране, и члену-корреспонденту РАН А. М. Сергееву, руководившему отделением более 10 лет.

В последние годы самые яркие результаты отделения получены в области фемтосекундной оптики, сверхсильных лазерных полей и лазерных источников с высокой средней мощностью излучения.

В ИПФ РАН один из самых больших в России парков фемтосекундных лазерных установок, включающий петаваттный комплекс на основе параметрического усиления в широкоапертурных нелинейных кристаллах DKDP, тераваттный комплекс на основе кристаллов титан-сапфира, субтераваттные титан-сапфировые комплексы с высокой частотой повторения импульсов (1 кГц), компактные волоконно-оптические частотно-перестраиваемые источники фемтосекундных импульсов. Каждый из этих приборов предназначен для выполнения определенной программы научных исследований.

Крупнейшим за последние десять лет научным проектом Отделения нелинейной динамики и оптики является создание источника излучения петаваттного уровня мощности – фемтосекундного лазерного комплекса PEARL (PEtawatt pARametric Laser). Проект реализован в отделе, руководимом членом-корреспондентом РАН Е. А. Хазановым, в сотрудничестве с коллегами из Российского федерального ядерного центра (РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров). Лазерный комплекс PEARL стал экспериментальной базой для развития в нашей стране нового научно-технологического направления – создания вторичных источников излучений рентгеновского и гамма-диапазонов и ускоренных частиц с уникальными характеристиками на основе взаимодействия петаваттных оптических импульсов с лазерными мишенями.

Создание установки PEARL открыло дорогу для строительства в ближайшее время в ИПФ РАН лазерного комплекса PEARL-10 с рекордной мультипетаваттной мощностью и возможностью достижения гигантской интенсивности 10²³ Вт/см². Еще более амбициозные цели ставятся в проекте XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies), который включен Правительством РФ в число шести проектов класса мегасайенс для реализации в нашей стране в текущем десятилетии. Лазерный комплекс XCELS будет иметь пиковую мощность излучения 0,2 ЭВт (200 ПВт). Этот уровень мощности излучения более чем на два порядка превышает сегодняшний мировой рекорд. Достижение петаваттного уровня мощности не снижает интереса к задачам, исследуемым на менее мощных фемтосекундных установках в ИПФ РАН.

Многие важные приложения лазеров связаны не только с высокой пиковой мощностью, но и одновременно с высокой средней мощностью излучения. Эти лазеры применяются во многих областях, таких как медицина, прецизионная обработка материалов, экологический мониторинг, контроль производственных процессов, решение военно-технических задач. Главные проблемы на пути развития таких лазеров связаны с разрушением их активных элементов при большом тепловыделении и оптическом пробое, а также с ухудшением качества лазерного пучка из-за термонаведенных фазовых искажений и деполяризации. Для решения этих задач разрабатывается специальная архитектура лазеров с использованием методов адаптивной и нелинейной оптики. Одним из наиболее перспективных путей создания лазеров с высокой средней и пиковой мощностью является когерентное сложение пучков многоканальных лазерных систем.

В Отделении нелинейной динамики и оптики реализуются проекты по созданию лазерных комплексов с высокой средней мощностью в различных диапазонах частот и с различной длительностью импульсов – от наносекундного до фемтосекундного диапазонов. Разрабатываются нано- и пикосекундные лазеры с криогенно охлаждаемыми дисковыми активными элементами в диапазоне длин волн около 1 мкм, в том числе на основе иттербий-допированной лазерной керамики, лазеры, генерирующие импульсы пикосекундной длительности в безопасном для глаз диапазоне длин волн около 1,5 мкм, лазеры двухмикронного диапазона на основе активных ионов тулия в различных, в том числе керамических матрицах.

В результате исследований, проводимых в ИПФ РАН в течение нескольких десятилетий, создана уникальная лабораторная технология производства крупногабаритных нелинейно-оптических элементов из водорастворимых кристаллов семейства KDP, включающая в себя скоростное выращивание профилированных кристаллов большой апертуры и их прецизионную обработку методом алмазного микрофрезерования. Необходимость разработки технологий выращивания крупногабаритных нелинейно-оптических кристаллов продиктована, прежде всего, потребностями систем управляемого лазерного термоядерного синтеза, имеющихся или строящихся как за рубежом (в США, Франции, Японии), так и в России (установка УФЛ-2М в РФЯЦ-ВНИИЭФ). Для каждой такой установки требуется несколько сотен кристаллических элементов апертурой до 40 × 40 см, являющихся основой электрооптических затворов и умножителей частоты лазерного излучения. Широкоапертурные кристаллы DKDP являются также ключевыми усилительными элементами параметрических комплексов для получения петаваттных оптических импульсов, в том числе в рамках проекта класса мегасайенс XCELS.

Работы ИПФ РАН по лазерной физике и нелинейной оптике признаны во всем мире. Сотрудники Отделения нелинейной динамики и оптики участвуют в крупнейших международных лазерных проектах LIGO, VIRGO, ELT, HiPER, а созданные ими оптические устройства и лазерные установки работают в известнейших научных центрах, таких как CERN, Sandia, KEK и др.