Исследования в области лазерной физики

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ

1. Анализ современной проблематики исследований в области лазерной физики (современные твердотельные лазеры)

2. Проблематика исследований в области лазерной физики, финансируемых РФФИ (современные твердотельные лазеры)

Взаимодействие излучения с веществом и сверхсильные световые поля

Твердотельные лазеры нового поколения

Нелинейная динамика твердотельных лазеров

Волоконные лазеры и волоконная оптика

Применение твердотельных лазеров в фундаментальной метрологии

Некоторые выводы

Литература

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ И СВЕРХСИЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ

Прогресс в технике генерации сверхкоротких лазерных импульсов не только позволил сформулировать принципиально новые подходы к решению задач, связанных с возбуждением и исследованием вещества в сильно неравновесных состояниях, но и обеспечил (в связи с созданием "настольных" источников мощных лазерных импульсов сверхкороткой длительности, способных функционировать в широком спектральном диапазоне: от УФ до среднего ИК) широкий фронт проведения экспериментальных исследований в этом направлении.
Среди основных направлений фундаментальных разработок в этой области лазерной физики, поддержанных РФФИ, можно выделить исследования взаимодействия интенсивного излучения с веществом, генерацию горячих электронов и импульсов рентгеновского излучения, генерацию высших гармоник, возбуждение ядерных уровней и осуществление фотоядерных реакций, и некоторые другие.
Большое значение для фундаментальной науки имеют исследования свойств вещества в экстремальных условиях, возникающих при воздействии мощного лазерного импульса и импульсного мягкого рентгеновского излучения плазмы Z-пинча. Исследования показали, что при воздействии мощных лазерных импульсов наносекундного диапазона на оболочечную сферическую мишень в ее центре можно получить не только весьма значительное сжатие вещества мишени (увеличение плотности до 100 г/см3), но и его нагрев до температур, превышающих 100 кэВ. Возникающий при этом гидродинамический разлет образующейся на поверхности мишени высокотемпературной плазмы приводит к возникновению абляционного давления, вызванного импульсом отдачи, и формированию ударной волны, амплитуда которой может достигать сотен мегабар.
Исследование ударных волн, возникающих в мишени под действием мощного лазерного импульса и сопровождающего его импульсного мягкого рентгеновского излучения плазмы, имеет немаловажное значение для понимания физических процессов, происходящих в лазерной плазме. Этому вопросу посвящен грант РФФИ № 00-02-17873 "Применение лазерных ударных волн для изучения свойств вещества при больших скоростях деформирования" (Красюк И.К., ИОФАН). В ходе исследований было установлено, что при воздействии мощного лазерного импульса на твердотельную мишень на поверхности последней возникает слой вещества, находящегося в экстремальном состоянии из-за высокой концентрации энергии в нем.
Поскольку традиционные методы в этом случае оказываются практически непригодными для исследований вещества в экстремальных состояниях, принципиальное значение имеет разработанный в рамках этого гранта оригинальный динамический метод диагностики термодинамических и механических свойств такого вещества. Использование ударных волн оказалось эффективным и при исследовании механических свойств вещества при сверхвысоких скоростях деформации. Было, например, установлено, что при высоких скоростях деформации вещества его механическая прочность резко возрастает и может достигать теоретического предела [7].
Для повышения эффективности взаимодействия излучения с лазерной плазмой первостепенное значение имеют исследования зависимости коэффициента отражения от лазерной плазмы излучения с различными длинами волн. Этим исследованиям посвящен грант № 98-02-16798 "Распространение излучения гармоник гигаваттного неодимового лазера в плотной наносекундной лазерной плазме вблизи плоской мишени" (Федоров В.Б., ИОФАН). Проведенные исследования позволили получить довольно неожиданный результат: оказалось, что при возбуждении лазерной плазмы импульсами длительностью порядка 10 нс с коротким передним фронтом (меньшим 1 нс), излучение неодимового лазера обладает аномально низким коэффициентом обратного отражения (2-3 %). Анализ экспериментальных данных позволил получить новые данные и об электродинамических свойствах плотной наносекундной лазерной плазмы [8].
Среди результатов, соответствующих мировому уровню, можно отметить экспериментальные результаты, связанные с исследованием генерации в лазерной плазме многозарядных ионов (Кильпио А.В., ИОФАН, грант РФФИ 00-02-17060 "Взаимодействие мощного лазерного излучения с малоплотными мишенями"). Для этих экспериментов были разработаны оригинальные методики регистрации многозарядных ионов, возникающих в лазерной плазме, позволившие исследовать масс-энергетические спектры ионов Ta, генерируемых в лазерной плазме, и установить, что максимальная зарядность иона Ta может достигать 46 [9].
Исследование взаимодействия сверхсильных оптических полей с веществом в настоящее время, как уже отмечалось выше, наиболее интенсивно ведется в фемтосекундной области. Развитие фемтосекундной техники заложило основу еще одной области фундаментальной лазерной физики - физики сверхсильных оптических полей и порождаемых ими специфических экстремальных состояний вещества. Заметим, что при использовании сверхкоротких лазерных импульсов кардинально изменяется картина взаимодействия излучения с веществом: в процессе взаимодействия становятся несущественными гидродинамические процессы, характерные для взаимодействия лазерного излучения наносекундной длительности с веществом.
Взаимодействие интенсивных фемтосекундных оптических импульсов с веществом сопровождается целым рядом интересных физических процессов, среди которых следует отметить генерацию рентгеновского излучения и быстрых электронов.
Исследования генерации рентгеновского излучения и быстрых частиц под действием фемтосекундных лазерных импульсов в нашей стране интенсивно развиваются в ИОФАН, ФИАН, НИИЛФ ГОИ, ИПФ РАН, МЛЦ МГУ и ряде других научных центров. К несомненному успеху, достигнутому в последние годы, следует отнести создание в нескольких научных центрах стационарно функционирующих современных мощных лазерных установок, параметры которых близки к международным стандартам (хотя и несколько уступают им).
Так установка НИИЛФ позволяет получать импульсы длительностью 1,5 пс с энергией до 2,5 Дж и дифракционной угловой расходимостью. Такие параметры импульса позволяют при фокусировке излучения в пятно диаметром порядка 10 мкм получить плотность мощности на мишени до 1018 Вт/см2 [11]. Лазерная установка в Институте комплексных испытаний оптико-электронных систем имеет пиковую мощность УКИ до 30 ТВт и позволяет при длительности импульса 1,5 пс получать интенсивность излучения до 1019 Вт/см2 при диаметре пятна излучения 5 мкм [12]. В МЛЦ МГУ функционирует фемтосекундная лазерная система на красителях, позволяющая при фокусировке получать интенсивность на мишени более 1016 Вт/см2 при длительности импульса 200 фс и частоте повторений 1 Гц.
Анализируя состояние фундаментальных исследований в области сверхсильных световых полей нельзя не отметить высочайший технический уровень их проведения. С сожалением приходится констатировать, что техническое оснащение наших научных центров значительно уступает оснащению зарубежных центров. Поэтому у нас практически отсутствуют фундаментальные экспериментальные исследования в области взаимодействия интенсивного лазерного излучения с электронными пучками и в области ускорения частиц с помощью интенсивных лазерных импульсов.
Теоретическому аспекту этой проблемы посвящен грант № 98-02-16263 "Лазерное ускорение электронов в сверхсильных световых плазменных полях" (Андреев Н.Е., ИОФАН).
Максимальная энергия, приобретаемая электроном при использовании кильватерной плазменной волны, определяется напряженностью плазменного поля и длиной ускорения. Для увеличения последней может быть использовано явление каналирования оптического импульса. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется изучению различных способов создания плазменных каналов и распространению в них мощных лазерных импульсов.
Взаимодействие высокоинтенсивного лазерного излучения с мишенью сопровождается и возникновением интенсивных потоков быстрых электронов. Даже при умеренной интенсивности (I ~ 1016 Вт/см2) лазерных импульсов температура возникающих в плазме горячих электронов может достигать ~ 10 кэВ, что достаточно для возбуждения низколежащих ядерных уровней. Экспериментальные и теоретические работы в этом направлении ведутся и в нашей стране. Первые результаты по исследованию возбуждения ядерных уровней и генерации нейтронов в высокотемпературной плотной фемтосекундной лазерной плазме, возбуждаемой импульсами с интенсивностью ~ 1016 Вт/см2 , приведены в [33-35]. Гамма распад низколежащего ядерного уровня атома 181Та, возбуждаемого в высокотемпературной лазерной плазме, был впервые исследован в [37]. О последних работах по генерации нейтронов в реакции d(d,n)3He, возникающей в плотной фемтосекундной лазерной плазме на поверхности твердотельной мишени при интенсивности I = 1016 Вт/см2 , сообщается в [36].
Следует отметить, что сверхмощные пико- и фемтосекундные лазеры могут быть использованы и для реализации нового подхода в области термоядерного синтеза - так называемого "быстрого зажигания" [3, 14, 28].
Следствием возникновения в лазерной плазме горячих электронов является генерация интенсивного тормозного рентгеновского излучения. Этой проблеме посвящены усилия многих исследователей, как у нас, так и за рубежом (см., например [39]). Среди работ, поддержанных РФФИ, в первую очередь следует отметить экспериментальные работы по генерации жесткого рентгеновского излучения в лазерной плазме в поле фемтосекундных импульсов (Гордиенко В.М., МЛЦ МГУ, грант № 99-02-18343, "Высокотемпературная фемтосекундная плазма в плотных наноструктурированных мишенях, процессы термализации и эффективная генерация жесткого рентгеновского излучения"). Экспериментально показано, что с точки зрения повышения степени конверсии энергии лазерного излучения в жесткий рентгеновский диапазон (Е>2,5 кэВ) перспективным является использование наноструктуированных мишеней [25]. Важный результат получен в работе [40], где показано, что эффективность преобразования лазерного излучения в жесткий рентгеновский диапазон пропорциональна заряду ядра мишени в степени 3/2.
Характеристики излучения неравновесной лазерной плазмы и возможность создания высокоэффективного источника рентгеновского излучения рассмотрены в гранте № 98-02-16662 "Исследование излучения неравновесной плазмы и возможности создания высокоэффективного рентгеновского источника при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом твердотельной мишени пониженной плотности" (Гаврилов В.В., ТРИНИТИ, Троицк). Этому же вопросу посвящен и грант Степанова А.Н. (ИПФ РАН) № 98-02-17013 "Взаимодействие сверхсильных лазерных импульсов фемтосекундной длительности с твердым телом: генерация рентгеновского излучения и абляция материала мишени".
Возможные причины снижения эффективности генерации сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения при возбуждении атомов сверхсильным излучением видимого диапазона проанализированы в [41], где показано, что основной причиной снижения эффективности является влияние силы Лоренца со стороны магнитной компоненты поля лазерной волны.
В последние годы значительное внимание уделяется генерации аттосекундных импульсов. Такие импульсы могут быть получены, например, при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с атомами инертных газов, приводящем к генерации высших гармоник оптического излучения, лежащих в области ВУФ и мягкого рентгеновского излучения [42, 43]. Для успешной генерации аттосекундных импульсов необходимо обеспечить генерацию большого числа гармоник и их эффективную фазировку. Генерация высоких гармоник в настоящее время становится одним из широко исследуемых явлений, возникающих при взаимодействии интенсивного излучения с веществом.
Генерация большого числа высших гармоник и их эффективная синхронизация оказывается возможной, например, при распространении интенсивного оптического излучения в заполненном газом капилляре. Именно так в [44] была получена 299-ая гармоника с длиной волны ~ 2,7 нм (460 эВ), т.е. фактически был создан источник когерентного излучения в мягком рентгеновском диапазоне.
Спектр гармоник, генерируемых интенсивным лазерным импульсом, как показывают исследования [45, 46], содержит участок, в пределах которого амплитуды гармоник различных порядков примерно равны. Поэтому взаимная фазировка этих гармоник позволяет формировать последовательности аттосекундных импульсов. Одна из проблем, требующих решения, состоит в оптимизации процесса фазировки гармоник различных порядков и выделения одиночных аттосекундных импульсов.
Оригинальный метод генерации импульсов излучения фемто- и аттосекундной длительности предложен и теоретически исследован в [47], где детально проанализированы условия генерации гармоник высокого порядка в лазерной плазме и показано, что, используя особенности фокусировки оптических гармоник в плазме, можно сформировать импульсы излучения с длительностью меньшей 100 ас (Платоненко В.Т., МЛЦ МГУ, грант № 99-02-16489 "Управление параметрами импульсов высоких гармоник лазерного излучения. Генерация гармоник в полях с неадиабатически меняющимися характеристиками"). В работе [46] показано, что эффективная квазисинхронизация гармоник может быть получена при использовании амплитудной модуляции высокочастотного отклика среды на возбуждающее поле. Проведенные теоретические исследования позволили предложить оригинальный метод выделения из суммарного поля одиночного аттосекундного импульса [48].
Генерация аттосекундных импульсов при генерации гармоник высокого порядка может быть реализована как в плазме, возникающей при лазерном облучении твердотельной мишени [49], так и в газовых струях [50]. В работе [51] показано, что одиночный аттосекундный импульс может быть сформирован в газовой среде под действием сверхкороткого (длительностью менее 5 фс) лазерного импульса. В качестве наиболее перспективных сред (с точки зрения генерации таких импульсов) могут быть использованы комбинационно-активные среды. Как показывают исследования, в таких средах генерация одиночных аттосекундных импульсов может иметь место уже при умеренных интенсивностях излучения возбуждающих импульсов [52].
Многие достижения нелинейной оптики и оптики сверхкоротких лазерных импульсов связаны с использованием заполненных газом полых волноводов. Именно фазовая самомодуляция лазерных импульсов в таких волноводах позволила получить предельно короткие импульсы света (~ 4,5 фс) [53] . Детальные исследования генерации гармоник сверхкороткими лазерными импульсами в заполненных газом волноводах ведутся в рамках гранта № 00-02-17567 "Управление нелинейными взаимодействиями коротких световых импульсов в волноводном режиме" (Желтиков А.М., МЛЦ МГУ). В результате проведенных исследований изучены физические закономерности распространения сверхкоротких лазерных импульсов в волноводных структурах, включая полые, дырчатые и плазменные волноводы. В [54] показано, что одновременное фазовое согласование нескольких нелинейно-оптических процессов с целью повышения эффективности преобразования частоты и генерации нескольких новых частотных компонент излучения является весьма перспективным методом генерации гармоник высокого порядка.
В [55, 56] исследованы особенности волноводного фазового синхронизма при генерации оптических гармоник высокого порядка, а в [57] проанализированы оптимальные условия генерации третьей гармоники, позволяющие поднять ее эффективность до 3%.
Изучение процессов взаимодействия сверхсильных оптических полей с веществом, создание перестраиваемых источников УФ и рентгеновского излучения фемто- и аттосекундной длительности - одна из актуальных задач современной лазерной физики. Анализ нелинейно-оптических свойств вещества в сверхсильных оптических полях фемтосекундных лазерных импульсов играет определяющую роль в развитии этого направления.
В настоящее время одним из наиболее важных вопросов является выяснение роли различных физических механизмов передачи энергии от лазерного импульса электронам плазмы. Среди этих механизмов существенную роль играют такие бесстолкновительные механизмы как пондермоторное ускорение [58], резонансное поглощение и др. Отметим, что если "горячие" электроны могут генерироваться в результате прямого взаимодействия излучения с веществом, то эмиссия жестких рентгеновских квантов является вторичным эффектом и вызывается высокоэнергетичными электронами, порождающими тормозное излучение при их замедлении в массивной мишени. Протекание всех этих процессов, как показывают исследования [59], сильно зависит от интенсивности импульса лазерного излучения, его длительности и контраста.
Можно отметить еще одно важное направление в развитии лазерной физики - направление, связанное с каналированием интенсивного лазерного излучения. Каналирование лазерного излучения может использоваться как для эффективной "транспортировки" оптического излучения, так и для создания активной среды для лазеров, излучающих в области вакуумного УФ и мягкого рентгеновского диапазона (см., например, [60]). В лазерном плазменном волноводе может быть значительно повышена и эффективность генерации гармоник высокого порядка по сравнению с их генерацией в плазме оптического пробоя.
Моделирование нелинейных процессов при каналировании интенсивного лазерного излучения в сильнопоглощающей конденсированной среде изучалось В.С. Голубевым (НИЦТЛ РАН, Шатура) грант № 98-02-16558 "Теоретическое и экспериментальное моделирование нелинейных процессов, сопровождающих каналированное проникновение интенсивного лазерного излучения в сильнопоглощающую конденсированную среду". В результате исследований были найдены основные закономерности, возникающие при абляции вещества, позволившие оптимизировать ряд технологических процессов.
Этому же вопросу посвящен грант Андреева Н.Ф. (ИПФ РАН) № 99-02-17257 "Исследование каналирования сверхсильных лазерных импульсов фемтосекундной длительности в протяженном плазменном канале", в рамках которого получены оценки параметров лазерного излучения, необходимые для формирования лазерного канала при помощи аксиконной фокусировки излучения в разреженных газах.
Мощные лазерные пучки являются уникальным инструментом для создания в прозрачных средах сплошных лазерных каналов большой длины (в лабораторных условиях до метра и более). Такие каналы могут использоваться для коммутации электрических сигналов, каналирования лазерных импульсов большой мощности [61]. Способ создания протяженного канала при использовании квазибесселева пучка анализируется в гранте № 99-02-16007 "Протяженные трубчатые лазерные искры: оптические свойства плазменного канала" (Марголин Л.Я., ИВТ РАН). Результаты этого анализа приведены в работе [62]. Для повышения эффективности использования фемтосекундных лазеров немаловажное значение имеет использование адаптивной оптики для коррекции волнового фронта мощных лазерных импульсов, позволяющее получать релятивистские значения интенсивности (I = 1018 Вт/см2) с килогерцовой частотой [63].
В последнее время имеет место определенный прогресс в области рентгеновской оптики: разработаны основы создания многослойных рентгеновских зеркал и систем для получения изображения в рентгеновском диапазоне (см., например [64]). На решение аналогичных проблем направлены гранты № 98-02-16341 "Рентгеновские фокусирующие элементы на основе преломляющей оптики" (В.В. Аристов, ИПТМ РАН, Черноголовка), № 98-02-16655 "Рентгеновская дифракционная кристаллооптика" (Е.В. Шулаков, ИФТТ РАН, Черноголовка), и № 99-02-17336 "Разработка рентгеновских методов получения изображений медико-биологических объектов в диапазоне длин волн 0,5-3 ?" (А.В. Виноградова, ФИАН). Эти работы, несомненно, имеют большое значение для создания будущих рентгеновских лазеров.
Интенсивно как у нас, так и за рубежом ведутся исследования взаимодействия интенсивных световых полей с атомами и молекулами. Исследования в этой области привели к обнаружению ряда принципиально новых и довольно неожиданных эффектов. К числу таких эффектов следует отнести адиабатический [65] и интерференционный [66] эффекты стабилизации атомов в сильном лазерном поле. Поведение атомных и молекулярных систем в лазерных полях высокой интенсивности разрабатывается в грантах Федорова М.В. (ИОФАН) грант № 99-02-18034 "Атомы и молекулы в интенсивном лазерном поле" и Тихоновой О.В (НИИЯФ МГУ) грант № 98-02-16670 "Стабилизация атомарных и молекулярных систем в лазерных полях высокой интенсивности".
В результате проведенных исследований было установлено, что в сверхсильных оптических полях может происходить стабилизация атомных и молекулярных систем. Суть этого эффекта заключается в том, что в интенсивных лазерных полях при превышении некоторой критической интенсивности скорость ионизации (или полная вероятность ионизации за импульс) перестает расти или даже убывает с ростом интенсивности возбуждающего излучения. Этот эффект, несомненно, может иметь большое практическое значение. В настоящее время существует несколько различных моделей, описывающих эффект стабилизации атомов в сильном лазерном поле. Создание адекватной модели, детализация физических механизмов этого интересного эффекта и определение значений критических полей составляют предмет современных исследований в этой области [66, 68].
Детальное рассмотрение нелинейных свойств атомов, находящихся в поле интенсивного лазерного импульса, процесса генерации высоких гармоник и динамики формирования аттосекундных импульсов излучения проводится в рамках гранта № 98-02-17015 "Генерация аттосекундных импульсов" (Ким А.В., ИПФ РАН).
Интересный вариант теории взаимодействия атомов со сверхсильными оптическими полями, применимый при произвольном отношении напряженности световой волны и внутриатомного поля, развит в гранте № 99-02-16093 (А.В. Андреев, физфак МГУ, "Динамика когерентных взаимодействий фемтосекундных лазерных импульсов с плотными газовыми твердотельными средами и плазмой). В частности, в [69] показано, что изменение населенностей атомных уровней может приводить при определенных условиях к возрастанию показателя преломления среды с увеличением амплитуды поля. В работе [70] предложено использовать бихроматические лазерные поля для повышения эффективности генерации когерентного коротковолнового излучения атомами в процессе надпороговой туннельной ионизации (Таранухин В.Д. (Физфак МГУ) грант № 98-02-17525 "Атомы в сверхсильном лазерном поле: новые фундаментальные закономерности и предельные возможности генерации когерентного рентгеновского излучения").

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center