Мощная лазерная установка “ПИКО” для проведения исследо- ваний по взаимодействию с ве- ществом лазерного излучения наносекундного и пикосекундного диапазона длительностей
( Ю.А. Михайлов )

Лаборатория лазеров для термоядерного синтеза - О лаборатории

Лаборатория лазеров для термоядерного синтеза

Заведующий лабораторией к.ф.-м.н. Сенатский Юрий Всеволодович

Лаборатория лазеров для термоядерного синтеза проводит исследования, связанные с разработкой мощных твердотельных лазеров-драйверов по программе лазерного термоядерного синтеза (ЛТС).

Основные научные направления:

  • исследования характеристик твердотельных лазерных материалов (активированных ионами Nd3+ и Yb3+ стекол, кристаллов, керамики и др.), имеющих перспективу применения в лазерах-драйверах для ЛТС;
  • исследования физических процессов в твердотельных лазерных средах, включая формирование и съем инверсии в активной среде, формирование модового состава, временных, спектральных характеристик и поляризации излучения при генерации и усилении коротких и ультракоротких импульсов;
  • исследование нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с  оптической средой лазерной установки,  механизмов ограничения энергии и мощности в оптическом тракте лазера, механизмов разрушения твердотельных оптических сред при воздействии мощного лазерного излучения;
  • разработка новых схемных решений и элементной базы для оптического тракта твердотельных лазерных систем для ЛТС, разработка методов формирования распределения интенсивности в мощных лазерных пучках и при фокусировке излучения на мишени.
Участие в работах по комплексным научно-техническим программам, в проектах, работа по темам с бюджетным финансированием:
  • Государственная научно-техническая программа, ФЦНТП «Управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы», 1991-2004г.г.;
  • Тема (бюдж. фин.) «Лазеры для ЛТС», 1991-2003г.г., рег. #01.9.70 0074606;
  • Проект РФФИ #96-02-18576а: «Исследование кристаллов граната, активированных ионами иттербия,  для применения в мощных импульсных лазерах», 1996-1997г.г.;
  • Проекты МНТЦ # 651, 651-б: «Создание нелинейного оптического элемента для аподизации лазерных пучков и развязки лазерных усилителей большой апертуры», 1998-2000г.г.;
  • ФЦНТП «Исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники», проблема «Создание физических основ квантовых и нелинейно-волновых технологий», тема 01.40. 01. 08.02 «Разработка методов управления параметрами лазерной генерации для создания перспективных источников когерентного излучения», 2002-2004г.г.;
  • Тема (бюдж. фин.): «Исследование твердотельных лазерных материалов для целей ЛТС», 2004-2006г.г., рег. #
  Сотрудничество

Лаборатория лазеров для термоядерного синтеза осуществляет научно-техническое сотрудничество со следующими организациями в России и за рубежом:

  • ВНИИЭФ, г. Саров,
  • Institute for Laser Sciense of the University of Electrocommunications, Tokyo, Japan,
  • ИОФРАН, г. Москва,
  • Полюс, г. Москва,
  • Optical Institute of the Technical University,Berlin, Germany,
  • НИОПИК, г. Москва,
  • ИКАН РАН, г. Москва

Важнейшие результаты за период 2000-2006 г. г.

1.  Лаборатория совместно с ВНИИЭФ (г. Саров) участвовала в разработке нового типа аподизаторов («мягких» диафрагм) для мощных лазерных пучков. Работа проводилась при поддержке Международного научно-технического центра (МНТЦ). Были разработаны аподизаторы с малоразмерными центрами рассеяния в апертуре лазерного пучка (патенты РФ ## 2140695, 2163386, 2229762). Сглаженный профиль пропускания этих аподизаторов формируется за счет диссипации энергии лазерного пучка при дифракции излучения на 2-х или 3-мерных структурах оптических неоднородностей. Разработана численная модель формирования профиля пучка при дифракции излучения на пространственных структурах амплитудных и фазовых малоразмерных неоднородностей. Получены опытные образцы аподизаторов на основе светорассеяния со световыми диаметрами от 2 до 100 мм с помощью обработки прозрачных пластин из стекла и кварца лазерным излучением. Аподизатор с Æ100 мм с супергауссовой функцией пропускания использован для формирования рабочего пучка в оптическом тракте мощной иодной лазерной установки «Искра-5» во ВНИИЭФ.

Публикации:

  1. L.M.Vinogradsky, M.V.Pyatakhin, Yu.V.Senatsky et al. “Soft diaphragms for apodization of powerful laser beams” Proc.SPIE, 3889, pp.849-860 (2000); 
  2. Yu.V.Senatsky “Laser beams apodization by light scattering” Tech.digest of the CLEO-2001 conf., May 6-11 (2001), Baltimore, USA, p.160; 
  3. M.V.Pyatakhin, Yu.V.Senatsky “Formation of the intensity distribution in laser beams due to diffraction on the structure of small-size optical inhomogeneties” J.of Russian Laser Research, 23,4,pp.332-346 (2002).   
2.  Совместно с ВНИИЭФ и НИОПИК (г. Москва) разработан новый элемент для оптического тракта лазеров: кювета-аподизатор с профилированным слоем просветляющегося поглотителя (патенты РФ ## 2157034 и 2177666). В усилительных каскадах мощной лазерной установки такая кювета может выполнять одновременно функции оптической развязки и мягкой диафрагмы и служить для повышения контраста и коррекции профиля интенсивности проходящего лазерного пучка. В резонаторе лазера кювета может использоваться в качестве модулятора добротности и одновременно - селектора поперечных мод. В лазерах на неодимовом стекле и кристалле YAG:Nd3+ c кюветой-аподизатором в резонаторе получена в моноимпульсном режиме одномодовая генерация на основном типе колебаний TEM00 практически для полной апертуры (Æ6-10 мм) активного элемента; продемонстрирована возможность селекции нескольких поперечных мод низших порядков вида TEMmn.

Публикации:

L.M.Vinogradsky, Yu.V.Senatsky, I.G.Zubarev et al.”Decoupling nonlinear optical elements for powerful iodine laser” Proc.SPIE, 4353,pp.92-100 (2001)
  1. Ю.В.Сенатский, Н.Е.Быковский, Л.М.Виноградский и др. «Аподизаторы для получения одномодовой генерации в лазерах» Изв.АН. Сер. физ., 66,7, стр.919-923 (2002).
3.  По результатам анализа характеристик ряда твердотельных сред, активированных редкоземельными ионами и ионами металлов переходной группы, установлена перспективность разработки для целей ЛТС лазеров на кристаллах и стеклах с иттербием с длиной волны излучения ≈ 1 мкм. Осуществлены модельные эксперименты по селективной накачке образцов кристалла граната с иттербием излучением лазера Nd:YAG с длиной волны 0,94 мкм и излучением лазера на центрах окраски LiF: F2+. Достигнутый в кристалле Yb:YAG уровень инверсии (свыше 10 Дж/см3) и широкий спектр генерации (3нм) наряду с большим временем жизни метастабильного уровня 2F5/2 иона Yb (≈ 1 мс), высоким квантовым КПД (» 90%) и высокой теплопроводностью кристалла граната (» 10 Вт/м К) свидетельствуют о возможности применения этого материала в лазере-драйвере импульсно-периодического режима работы для получения мощных наносекундных и пикосекундных импульсов.

Публикации:

  1. N.E.Bykovsky, Yu.V.Senatsky, I.G.Zubarev et al. ”Transformation of the ytterbium laser spectrum at pulsed selective pumping” Proc.SPIE, 3889,pp.661-771 (2000);
  2. T.T.Басиев, Н.Е.Быковский, В.А.Конюшкин, Ю.В.Сенатский “Применение лазера на центрах окраски для накачки активной среды Yb: YAG” Квант.электр.34, 12,стр.1138-1142 (2004).
4. Совместно с Институтом лазерной науки, г. Токио (Япония) проведены измерения нелинейного показателя преломления в образцах лазерных кристаллов и керамики на основе YAG, Y2O3, Sc2О3 и др. Полученные данные использованы при оценке возможности применения кристаллов и керамики, активированных ионами Nd3+ и Yb3+, в качестве активной среды мощного лазера-драйвера для ЛТС. Сделан вывод о перспективности использования в лазере-драйвере импульсно-периодического режима работы активных элементов из керамики YAG, активированной иттербием. Указано на возможность повышения эффективности работы лазера на основе керамики Yb:YAG в частотно-импульсном режиме при низких температурах.

Публикации:

  1. Ю.В.Сенатский, К.Уеда «Активный элемент твердотельного лазера» Патент РФ #2226732 (2002).
  2. Yu.V.Senatsky, A.Shirakawa, K.Ueda et al “Measurements of nonlinear refractive indices in ceramic laser media” Proc.SPIE, 5478, pp.88-97 (2004);
  3. Yu.V.Senatsky, A.Shirakawa, K.Ueda et al. “Nonlinear refractive index of ceramic laser media and perspective of their usage in a high-power laser-driver” Laser Physics Lett.,1,10,p.500 (2004).
5. Cовместно с сотрудниками Института лазерной науки, г.Токио (Япония) предложен новый метод формирования инверсии в активной среде лазера при селективной накачке. Сущность метода заключается в использовании для профилирования инверсии распределений интенсивности излучения, возникающих в зоне дифракции Френеля пучка накачки с длиной волны l, распространяющегося вдоль направления z от источника к активному элементу. При дифракции пучка накачки на круглой диафрагме радиуса а и размещении активного элемента на расстояниях z от диафрагмы, соответствующих целому значению числа Френеля, N=a2/lz , в активной среде должны возникать распределения инверсии с минимумами и максимумами на оси z. Метод проверен в эксперименте, в котором производилась накачка стержня из керамики Nd:YAG пучком излучения на длине волны 0,53 мкм, дифрагировавшим на круглой диафрагме. Получена генерация наносекундных импульсов в лазере Nd:YAG на основном и нескольких низших типах колебаний для профилей накачки, соответствующих значениям N=1,2,3,4.Максимальный уровень инверсии в среде и наиболее короткие импульсы генерации (<10 нс) были получены при “дифракционной фокусировке” излучения накачки на ось активного элемента, N=1. Рассматриваемый метод формирования инверсии может быть использован для профилирования распределения интенсивности в пучках излучения различного типа лазеров. Дифракционная (без линз) фокусировка может представлять интерес для концентрации излучения накачки в коротковолновых участках спектра.

Публикации:

  1. Ю.В.Сенатский, Н.Е.Быковский и др. «Способ формирования распределения инверсии в активном элементе лазера»Патент РФ #2229762(2003).
  2. J.-F. Bisson, A.Shirakawa, Yu.Senatsky et al. “Near field diffractive optical pumping of a laser medium” Optical Review, 11, 6, pp.353-357 (2004).
6. Метод профилирования инверсии при дифракции пучка накачки на круглой диафрагме был применен для селекции мод Лагерра-Гаусса (LGpm, p-радиальный, m-азимутальный индексы) в резонаторе лазера на керамике Nd:YAG. При N=2 профиль накачки в виде кольца с минимумом интенсивности на оси резонатора способствовал подавлению основного типа колебаний и возникновению генерации на модах Лагерра-Гаусса вида LG0m. Для полуконфокальной и полуконцентрической конфигураций резонатора c длиной базы 12-25 см была получена одномодовая генерация на модах с индексами m=1-50. В лазере с длиной базы около 1 см впервые получена одномодовая генерация для LG0m мод с индексом m>200. Генерация на модах Лагерра-Гаусса в Nd:YAG лазере получена в режиме наносекундных импульсов при включении усиления коротким (5нс) импульсом накачки. Предложено использование кольцевых лазерных пучков с аксиально-симметричной поляризацией излучения в качестве рабочих пучков в оптическом тракте мощного лазера для экспериментов по ЛТС.

Публикации:

  1. J.-F.Bisson, Yu.Senatsky and K.Ueda “Generation of Laguerre-Gaussian modes in Nd:YAG laser using diffractive optical pumping” Laser Physics Lett., 2, 7,pp.327-333 (2005).
7. Предложен и экспериментально опробован новый метод формирования излучения с радиальной поляризацией в твердотельном лазере. В лазерах на керамике Nd:YAG и кристалле Nd:YVO4 c внутрирезонаторным аксиконом (с углом Брюстера) получена в непрерывном режиме внеосевая генерация в пучках в виде тонких (<1мм) колец или дуг с радиальной поляризацией излучения с контрастом до 80:1. Схема лазера допускает работу в импульсном режиме. При фокусировке пучков излучения с радиальной поляризацией в виде тонких колец или дуг возможно увеличить эффективность поглощения излучения в мишенях из металла и в плазме - за счет механизма резонансного поглощения. Метод формирования излучения с радиальной поляризацией разработан совместно с сотрудниками ИЛН, г. Токио.

Публикация:

J.-F.Bisson, J.Li, Yu.Senatsky and K.Ueda “Radially polarized ring and arc beams of a neodymium laser with an intra-cavity axicon” Optics Express 14, 8, 3304-3311 (2006).

Администрирование