Лаборатория газовых лазеров

Заведующий лабораторией – выпускник МФТИ д.ф.-м.н., профессор Ионин Андрей Алексеевич

Ключевые сотрудники:

ФИО	Должность	Телефон	Email
Ионин Андрей Алексеевич	Заведующий лабораторией, главный научный сотрудник	+7(499) 783-36-90	ioninaa@lebedev.ru
Зворыкин Владимир Дмитриевич	Высококвалифицированный ведущий научный сотрудник	+7(499) 132-67-39	zvorkinvd@lebedev.ru
Киняевский Игорь Олегович	Высококвалифицированный старший научный сотрудник,	+7(499) 132-67-41	kinyaevskiyio@lebedev.ru
Климачев Юрий Михайлович	Высококвалифицированный старший научный сотрудник	+7(499) 132-67-41	klimachevym@lebedev.ru
Козлов Андрей Юрьевич	Высококвалифицированный старший научный сотрудник	+7(499) 132-67-41	kozlovay@lebedev.ru
Левченко Алексей Олегович	Высококвалифицированный старший научный сотрудник	+7(499) 132-67-39	levchenkoao@lebedev.ru
Синицын Дмитрий Васильевич	Высококвалифицированный ведущий научный сотрудник,	+7(499) 132-67-41	sinicyndv@lebedev.ru
Устиновский Николай Николаевич	Высококвалифицированный старший научный сотрудник	+7(499) 132-66-60	ustinovskiynn@lebedev.ru
Шутов Алексей Викторович	Высококвалифицированный старший научный сотрудник,	+7(499) 132-67-39	shutovav@lebedev.ru

История лаборатории

Лаборатория газовых лазеров (ЛГЛ) была основана нобелевским лауреатом академиком Н.Г. Басовым в начале 80-х годов в целях исследования физических принципов создания мощных лазерных систем для промышленности и решения оборонных задач. Сотрудники лаборатории принимали участие в разработке СО₂ лазера мегаваттного класса [Зарубин П В Лазерное оружие-миф или реальность? Мощные лазеры в СССР и в мире (Владимир, ООО «Транзит-Икс», 2009)], и СО₂ и СО лазеров со средней мощностью ~10-30 кВт для промышленности. Основные направления исследований ЛГЛ: эксимерные лазеры, лазеры на атомных переходах, молекулярные лазеры и взаимодействие излучения с веществом. В лаборатории были созданы крупномасштабные лазерные установки такие как KrF лазер с электронно-пучковой накачкой, импульсные лазеры на атомных переходах с электронно-пучковой и электроионизационной накачкой; импульсные злектроионизационные молекулярные лазеры –импульсный лазер на основных переходах молекулы CO и ее обертонных переходах, N₂O laser, квазинепрерывный сверхзвуковой СО лазер.

ЛГЛ активно сотрудничала с зарубежными организациями по развитию лазерных технологий.  Совместно с коллегами из Великобритании и Франции сотрудники лаборатории участвовали в европейском проекте EUREKA 113 «CO-Евролазер», направленном на разработку мощных СО лазеров для промышленности. В Институте технической физики, г. Штутгарт, Германия, при участии ЛГЛ был запущен импульсно-периодический СО лазер, действующий при комнатной температуре, со средней мощностью 1 кВт. Лаборатория приняла участие в европейском проекте EUREKA 1390 «Ультралаз» (Россия, Австрия, Германия, и др.), целью которого была разработка принципов создания 100 кВт CO₂ лазера для промышленности. Совместно с коллегами из Директората прикладных технологий (полигон Белые пески (White Sands), США) и с привезенной ими аппаратурой, на лазерных установках ЛГЛ были проведены совместные исследования обращения волнового фронта излучения CO₂ и СО лазеров. Эти же установки использовались в совместных работах с компанией Дюпон (Du Pont), Вилмингтон, США, по лазерной модификации поверхности синтетических тканей при помощи частотно-селективного взаимодействия излучения СО лазеров с длиной волны ~6 мкм с поверхностью волокон нейлона и дакрона в целях устранения так называемого «синтетического» блеска, для совместных исследований с Горным университетом Колорадо (Colorado School of Mines), г. Гольден, США, по изучению взаимодействия излучения мощных ИК-лазеров с горными породами, характерными для нефтеносных полей  в рамках проекта, направленного на анализ возможности создания лазерных буровых установок. Сотрудники ЛГЛ участвовали в программах Президиума РАН, во многих проектах РФФИ и РНФ, в международных проектах по разработке совместно с Университетом Нью-Мексико и Научно-исследовательской лабораторией ВВС (AFRL) США (г.Альбукерке, США) сверхзвукового СО лазера, действующего на основных и обертонных переходах молекулы СО, в исследованиях, поддержанных партнерскими (вместе с Европейской организацией аэрокосмических исследований (EOARD)) проектами МНТЦ, электроразрядных генераторов синглетного кислорода – энергетического донора для кислород-йодного лазера и электрического разряда, управляемого комбинированными фемтосекундными и наносекундными импульсами УФ излучения гибридной KrF лазерной системы.

Фемтосекундные лазерные установки, заработавшие в ЛГЛ во второй половине нулевых годов, позволили начать исследования по фемтосекундной лазерной записи субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана, по внутриобъемной маркировке природных алмазов, по туннельной ионизации воздуха в сильном поле фемтосекундных лазерных импульсов, по филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе. Был обнаружен и теоретически подтвержден эффект множественной филаментации и образования мини-филаментов при острой фокусировке фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе. Было показано, что такие мини-филаменты с минимальным диаметром ~5 мкм являются компактным источником третьей гармоники возбуждающего излучения.

Следует отметить, что начатые в это время исследования по формированию наноструктур фемтосекундным лазерным излучением, по внутриобъемной маркировке алмазов, по филаментации фемтосекундного лазерного излучения явились мощным толчком для дальнейшего развития этих направлений и привели почти через десятилетие к созданию и исследованию антибактериальных наносистем для медицины и пищевой промышленности, к внутриобъемной записи QR-кодов в алмазах, к применению протяженных филаментов и постфиламентационных каналов для поджига электрического разряда на расстоянии в десятки метров и созданию в ОКРФ на базе ЛГЛ в 2019 г. Центра лазерных и нелинейно-оптических технологий (рук. Ионин А.А.), состоящего и трех лабораторий: ЛГЛ (заведующий Ионин А.А.), лаборатория Нелинейной фемтосекундной оптики (заведующий Селезнев Л.В.), лаборатория Лазерной нанофизики и биомедицины (заведующий Кудряшов С.И.).

Краткое описание основных направлений научной деятельности лаборатории

В настоящее время в ЛГЛ ведутся исследования в области взаимодействия лазерного излучения с веществом, включая преобразование лазерного излучения в нелинейных кристаллах и газовых средах, филаментацию лазерных импульсов в газовых и конденсированных средах, создание протяженных плазменных каналов в воздухе и др. За последние годы получены следующие результаты:

• Создан компактный щелевой СО лазер с накачкой импульсно-периодическим емкостным высокочастотным разрядом (ВЧ) разрядом и криогенным охлаждением электродов, действующий без принудительной прокачки активной среды. В настоящее время средняя мощность генерации таких лазеров достигает 40 Вт на основных переходах молекулы СО (в диапазоне длин волн 5.06 – 5.92 мкм) и 6 Вт на обертонных переходах (2.60-3.05 мкм) при объеме активной среды ~ 35 см³. В режиме модуляции добротности резонатора эти лазеры позволяют получать излучение с пиковой мощностью до 5 кВт. В настоящее время исследования направлены на изучение характеристики щелевых СО и CO₂-лазеров с ВЧ накачкой и другими типами оптических резонаторов, на применение этих лазеров для лазерного сверления высокоаспектных каналов в диэлектриках и на применение этих лазеров для нелинейно-оптического преобразования в среднем ИК диапазоне.
• Разработана оригинальная лазерная система на основе многочастотных щелевых СО и CO₂-лазеров с ВЧ накачкой, работающих в режиме модуляции добротности резонатора, с целью охвата среднего ИК-диапазона от ~2 мкм до ~20 мкм. Микросекундные импульсы CO- и CO₂-лазеров были объединены по времени и пространству и использованы для преобразования частоты: генерации второй и третьей гармоник CO-лазера; генерация суммарной и разностной частоты CO- и CO₂-лазеров. Для этого были использованы различные нелинейные кристаллы, а также как вне-, так и внутрирезонаторные способы преобразования излучения. В результате были получены сотни узких спектральных линий в диапазоне длин волн от 1.7 мкм до 19.3 мкм. Разработанная лазерная система, может найти применение в различных областях от многокомпонентного газового анализа и диагностики плазмы до биофотоники. В настоящее время исследования направлены на исследование возможности повышения эффективности нелинейно-оптического преобразования излучения основе многочастотных щелевых СО и CO₂-лазеров с ВЧ накачкой за счет использования просветленных нелинейных кристаллов.
• Одновременно с наносекундным разрешением были измерены терагерцовые импульсы NH₃-лазера и импульсы CO₂-лазера накачки. Временная задержка начала генерации NH₃ (~ 0.3–2.5 мкс для линии накачки 9R(16) и ~ 0.2–0.6 мкс для линии накачки 9R(30)) уменьшалась, а длительность ТГц-импульса увеличивалась с увеличением энергии импульса СО₂-лазера. Длительность импульса NH₃-лазера в зависимости от энергии импульса СО₂-лазера накачки составляла от 10 до 25 мкс и от 25 до 40 мкс для линий 9R(16) и 9R(30), соответственно. Было определено оптимальное давление в кювете с аммиаком для линий накачки 9R(16) и 9R(30), которое составило 8 мбар и 2 мбар, соответственно. Были измерены длины волн терагерцового излучения NH₃-лазера. Для линии СО₂-лазера накачки 9Р(30) эти длины волн составляли 67.2, 83.8 и 88.9 мкм. Длина волны самой сильной линии – 83.8 мкм. Для линии накачки 9R(16) при всех давлениях амиака была зарегистрирована только одна спектральная линия NH3-лазера 90.4 мкм. Планируются измерения эффективности преобразования излучения накачки в терагерцовое излучение NH₃-лазера в зависимости от длины волны селективного электроионизационного CO₂-лазера накачки в широком диапазоне длительностей (до 100 мкс) и мощности (до 0.1 МВт) излучения.
• Разработаны новые простые схемы преобразования фемтосекундных лазерных импульсов титан сапфирового лазера в средний ИК-диапазон в район длины волны 11 мкм, в которых применяется вспомогательное нелинейно-оптическое преобразование спектра при филаментации импульса в воздухе или вынужденное комбинационное рассеяние чирпированных импульсов в кристалле. Обнаружены и интерпретированы нехарактерные для твердых сред нелинейные эффекты, как «медленный» отклик керровской нелинейности и конструктивная интерференция эффектов фазовой самомодуляции и вынужденного комбинационного рассеяния в кристалле BaWO₄. В настоящее время ведутся исследования нелинейно оптических эффектов в кристаллах, нацеленные на интенсификацию лазерного источника ультракоротких импульсов среднего ИК-диапазона. Предполагается создание лазерной системы «задающий генератор (ЗГ) -лазерный усилитель (ЛУ)» на базе нелинейно-оптического ЗГ и СО2 (СО)-ЛУ.
• Выполнены приоритетные исследования на гибридной Ti:Sapphire‒KrF лазерной системе ГАРПУН-МТВ. Результаты этих исследований, посвященных разработке эффективных оптических схем для генерации и усиления субпикосекундных УФ импульсов с тераваттной пиковой мощностью, а также их различных комбинаций с длинными 100-нс импульсами включали широкий круг нелинейных оптических процессов в атмосферном воздухе. Среди них мелкомасштабная самофокусировка и множественная филаментация лазерного пучка, мощность которого на 3‒4 порядка превышала критическую мощность самофокусировки в воздухе, генерация ИК конической эмиссии, вынужденное комбинационное рассеяние и нелинейное поглощение УФ излучения на протяженных трассах длиной до 100 м. Другим направлением экспериментальных и теоретических исследований была многофотонная ионизация влажного воздуха наносекундными и фемтосекундными импульсами, кинетика фотоионизационной плазмы и филаментация. Полученный опыт работы с субпикосекундными и амплитудно-модулированными импульсами продолжает эти исследования в малоисследованном и перспективном пикосекундном и субнаносекундном диапазонах длительностей импульсов. В настоящее время исследования направлены: на физику и технологию мощных широкоапертурных эксимерных KrF и ArF лазеров c электронно-пучковой накачкой как перспективных драйверов для лазерного термоядерного синтеза (ЛТС), на взаимодействие мощных УФ лазерных импульсов с конденсированным, газообразным и структурированным веществом с низкой объёмной плотностью, на создание лазера с воздушной активной средой  используя накачку эксимерным лазером, на работы по созданию системы рекуперации благородных газов для эксимерных лазеров, на работы по созданию новых эксимерных ламп и лазеров с большим КПД.

Темы магистерских, бакалаврских и кандидатских диссертаций студентов и аспирантов на настоящий момент времени

• Генерация излучения в спектральном диапазоне ~ 2–20 мкм при преобразовании частоты излучения CO- и CO₂-лазеров в нелинейных кристаллах (аспирант)
• Преобразование спектра излучения щелевых лазеров на окиси углерода методами нелинейной оптики (аспирант)
• Укорочение УФ импульсов электроразрядного KrF лазера в субнаносекундный и пикосекундный диапазон длительностей за счет нелинейно-оптических преобразований в газовых и жидких средах (аспирант)
• Исследования генерации терагерцового NH₃ лазера с оптической накачкой излучением импульсного электроионизационного СО₂ лазера
• Щелевой СО/СО₂ лазер с возбуждением высокочастотным разрядом
• Преобразование частоты излучения молекулярных лазеров в нелинейных кристаллах
• Фемтосекундная нелинейная оптика в твердых телах: нелинейное поглощение, фазовая самомодуляция, ВКР, самофокусировка, генерация гармоник, суммарных и разностных часто
• Компрессия УФ импульсов электроразрядного KrF лазера
• Исследование температурных особенностей генерации эксимерного KrCl лазера
• KrCl эксимерная лампа
• Создание лазерного источника ультрафиолетового излучения на базе эксимерного KrCl лазера для оптической накачки атомарного кислорода в воздухе
• Исследование оптической накачки атомарного кислорода в воздухе излучением эксимерного KrCl лазера

Защиты диссертаций в последние годы

Кандидатские диссертации

• Генерация второй гармоники, суммарных и разностных частот излучения лазера на окиси углерода в кристаллах ZnGeP2 и GaSе (2015)
• Лазер на основных и обертонных переходах молекулы СО с накачкой щелевым высокочастотным разрядом и криогенным охлаждением электродов (2017)
• Нелинейные процессы при усилении мощных субпикосекундных УФ лазерных импульсов в KrF лазерной системе и их распространении в атмосфере (2020)

Бакалаврские и магистерские диссертации

• Компактный криогенный щелевой СО лазер с высокочастотной накачкой
• Генерация терагерцового излучения молекулами NH₃ при оптической накачке CO₂ лазером
• Двухфотонное поглощение в кристалле Ca₃(VO₄)₂, легированном стронцием
• Формирование длинных капиллярных каналов при абляции полупрозрачных материалов УФ излучением KrF лазера
• Взаимодействие высокоэнергетичных импульсов KrF лазера с конденсированными низкоплотными структурированными средами
• Динамика развития электронной лавины в фотоионизационной воздушной плазме 25-наносекундного 248-нм импульса KrF лазера
• Филаментация высокоинтенсивного лазерного излучения с длиной волны 248нм, длительностью 100 фс в воздухе различной влажности и в основных входящих в его состав газах