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

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ ПРОБЛЕМАТИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ (СОВРЕМЕННЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ)

В последние годы в мировой науке наметился значительный прогресс в целом ряде областей лазерной физики и лазерных технологий. Достижения современной лазерной физики широко используются и в области фундаментальных исследований, и при решении многих прикладных задач. Сегодня уже можно говорить о лазерном приборостроении и лазерных технологиях как о самостоятельных областях техники.
Совершенно очевидно, что дальнейший прогресс в этой области знаний невозможен без четкого понимания основных проблем лазерной физики и возможных путей ее развития в ближайшее время. Для правильного же прогнозирования развития этой области науки в России необходим детальный анализ ее современного состояния.
Современная лазерная физика представляет настолько широкую область человеческих знаний, что, рассматривая современное состояние даже отдельных ее направлений, в одном обзоре невозможно охватить все важнейшие проблемы. Целью настоящего обзора является анализ положения дел в области лазерной физики, связанной с созданием, исследованием и применением современных твердотельных лазеров.
При этом в настоящем обзоре рассматриваются только наиболее приоритетные, с нашей точки зрения, и быстро развивающиеся направления этого раздела лазерной физики.
К этим направлениям, в первую очередь, можно отнести следующие:

- сверхсильные световые поля,
- твердотельные лазеры нового поколения,
- нелинейную динамику твердотельных лазеров,
- волоконные лазеры и волоконную оптику,
- применения твердотельных лазеров в фундаментальной метрологии.

О важности этих проблем свидетельствует, в частности, проведение тематических международных конференций и симпозиумов, таких как Annual International Laser Physics Workshop (LPHYS), International Conference on Super Strong Fields in Plasmas, Conference on Laser Optics (section Solid State Lasers), International Symposium Modern Problems of Laser Physics, International Conference "Ultrafast Phenomena", Conference on Lasers and Electro-Optics (section Solid State Lasers), и целый ряд других.
Заметим, что вопросы, связанные с проведением исследований в области взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, собственно лазерной плазмы и лазерные термоядерные исследования, в настоящем обзоре не рассматриваются, поскольку такие вопросы относятся, скорее, к области физики плазмы.
Рассмотрим вначале несколько подробнее проблематику современных фундаментальных исследований в указанных выше направлениях.
Основные исследования в области сверхсильных световых полей, в основном, преследуют цели изучения:

- инициирования ядерных реакций,
- возбуждения ядерных уровней и создания инверсии населенности,
- методов ускорения электронов и ионов,
- генерации рентгеновского излучения,
- свойств вещества в сверхсильных оптических полях,
- генерации оптических гармоник высокого порядка.

Стремление к получению сверхсильных световых полей всегда было одним из приоритетных направлений фундаментальной лазерной физики. Первоначально для получения сверхвысоких интенсивностей световых полей использовались гигантские лазерные системы, предназначенные для работ по термоядерному синтезу. На этих крупномасштабных лазерных установках в импульсах наносекундной длительности был достигнут тераваттный уровень мощности, а при фокусировке этих импульсов была получена интенсивность излучения порядка 1018 Вт/см2 [1].
Эксплуатация таких установок, а также дальнейшее наращивание интенсивности излучения оказались чрезвычайно трудным и весьма дорогостоящим делом. Лидирующие позиции в данном направлении занимают исследовательские центры США, где созданы петаваттные лазерные системы. Создание петаваттных лазеров осуществляется в настоящее время во Франции, Германии, Великобритании и Японии.
Альтернативным направлением получения сверхвысоких интенсивностей излучения, интенсивно развивающимся в последние годы, является переход к фемтосекундной технике. Это направление в настоящее время и является доминирующим при исследовании свойств вещества в сверхсильных световых полях. Исследования в этом направлении наиболее широко развиты в США, Великобритании, ФРГ и Японии.
Фемтосекундные лазерные системы позволили выйти на принципиально новый уровень изучения вещества, находящегося в экстремальных условиях, возникающих при энерговкладах, достигающих гигантских величин порядка 1011 Дж/см3. В этом случае за время взаимодействия сверхкороткого импульса излучения с веществом, процессы энергообмена не успевают обеспечивать вынос выделившейся энергии из зоны взаимодействия, а напряженность поля световой волны может многократно превышать напряженность внутриатомного поля на первой боровской орбите атома водорода (порядка 109 В/см).
Особенностью таких исследований является то, что в этом случае используется не только высокая интенсивность лазерного излучения, но и предельно малая длительность лазерного импульса. Сочетание этих двух параметров приводит к возникновению принципиально новых эффектов, сопровождающих взаимодействие лазерного излучения с веществом. В частности, эти условия обеспечивают возможность создания эффективных источников УФ и рентгеновского излучения фемто- и аттосекундной длительности [1].
Созданные в последнее десятилетие фемтосекундные лазеры стимулировали исследования фундаментальных свойств вещества, находящегося в экстремальных условиях. Такие исследования характерны не только для фундаментальной физики, но и для технической физики, связанной с разработкой новых перспективных лазерных технологий.
Концентрация энергия излучения мощных фемтосекундных лазеров в пространстве и во времени позволяет получать предельно высокие удельные энерговклады в вещество в контролируемых условиях, что невозможно в рамках других подходов. Высокие удельные энерговклады, в свою очередь, радикально влияют на физику самого процесса взаимодействия излучения с веществом и существенно модифицируют параметры исследуемого вещества. Это позволяет выйти на решения принципиально новых задач, связанных с термодинамикой нелинейных необратимых процессов, характерных для сильно неравновесных систем.
В фемтосекундной лазерной плазме электроны за время лазерного импульса приобретают достаточно большую энергию. Температура же ионов за это время не претерпевает заметных изменений, поэтому к окончанию лазерного импульса в зоне взаимодействия возникает новый физический объект - сильно неравновесная высокотемпературная плазма, в которой электронная подсистема обладает энергией, достаточной для генерации интенсивного рентгеновского излучения сверхмалой длительности и инициирования лазерно-управляемых ядерных процессов.
Современные лабораторные установки обеспечивают получение лазерных импульсов длительностью порядка 10 фс с интенсивностью, достигающей поистине гигантских значений порядка 1021 Вт/см2. Сверхинтенсивные лазерные импульсы, таким образом, создают и позволяют исследовать новый физический объект - высокотемпературную, сильноградиентную и сильно неравновесную приповерхностную плазму с плотностью, близкой к твердотельной. Такая плазма является интенсивным источником сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения и отличается сильной нелинейностью, что позволяет эффективно генерировать высокие гармоники основного излучения. Особый интерес представляет ситуация, когда при фокусировке светового пучка возникают электрические или магнитные поля, сравнимые или превышающие внутриатомные поля [1-4].
Генерация электронов и гамма-квантов с энергией порядка нескольких МэВ, возникающая при зажигании приповерхностной фемтосекундной плазмы делает возможным возбуждение ядерных уровней и осуществление фотоядерных реакций.
При воздействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на поверхности мишени возникает небольшой сгусток сверхплотной плазмы, являющейся интенсивным источником не только сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения с энергией квантов в несколько десятков МэВ, но и источником излучения быстрых частиц (электронов, ионов, позитронов и даже мюонов [5]).
Использование фемтосекундных лазеров обеспечивает возможность проведения широкого круга разнообразных фундаментальных исследований, часто имеющих практические приложения [6-14]. Так, например, фемтосекундная техника обеспечивает проведение уникальных физических экспериментов в области взаимодействия лазерного излучения с электронными пучками. Такие эксперименты недавно выполнены, в частности, в США и Великобритании [15,16]. В результате этих экспериментов при интенсивности 1018 Вт/см2 зарегистрировано рождение электрон-позитронных пар и нелинейное комптоновское рассеяние [17,18]. За рубежом также выполнены очень интересные эксперименты, посвященные возможности ускорения частиц с помощью интенсивных лазерных импульсов [4, 19, 20]. Эти исследования показали, что для эффективного ускорения электронов могут быть использованы так называемые кильватерные плазменные волны, возбуждаемые коротким лазерным импульсом [12-14].
Индуцирование ядерных реакций с помощью лазерного излучения представляет несомненный интерес не только для лазерной, но и для ядерной физики. Такие исследования наиболее широко развиты за рубежом [14, 21, 22]. Так в работе [21] при фокусировке импульсов излучения мощностью 50 ТВт были получены электроны с энергиями в десятки МэВ, позволяющие получать пучки g-квантов, под действием которых протекали фотоядерные реакции (g,n). В работе [15] при воздействии на мишень сфокусированных импульсов излучения с длительностью 450 фс и энергией 260 Дж наблюдалось деление 238U.
Современная лазерная техника успешно преодолела фемтосекундный рубеж. На повестку дня ставится вопрос о генерации аттосекундных импульсов. Такие импульсы могут быть получены при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с атомами инертных газов, приводящем к генерации высших гармоник оптического излучения, лежащих в области ВУФ и мягкого рентгеновского излучения. Для успешной генерации аттосекундных импульсов необходима генерация большого числа гармоник и их эффективная фазировка. Генерация гармоник высокого порядка в настоящее время - одно из широко исследуемых явлений, как у нас, так и за рубежом.
В России существует несколько сильных научных школ в Москве, Нижнем Новгороде, Санкт-Петербурге и Новосибирске, ведущих приоритетные исследования в области фемтосекундной лазерной физики, физики взаимодействия сверхсильных оптических полей с веществом и фемтосекундной метрологии. Наиболее значительные работы российских ученых рассматриваются в следующем разделе.
Создание твердотельных лазеров нового поколения - с полупроводниковой накачкой (ТЛПН) - еще одно значительное достижение в области лазерной физики последних лет. Именно прогресс в этой области во многом определил успешное развитие фундаментальных исследований в целом ряде областей лазерной физики (и не только лазерной) и лазерных технологий [23-25].
Успехи в этом направлении обусловлены не только применением полупроводниковой накачки, но и созданием принципиально новых конструкций самих лазеров, использованием новых активных сред и внедрением новых технологий (использование распределенных доменных структур (РДС), распределенных брэгговских отражателей, высокоселективных диэлектрических покрытий, фазированных полупроводниковых излучателей и пр.). Для лазеров нового поколения характерно использование монолитных и полумонолитных конструкций, позволяющих объединить (с целью повышения стабильности генерации и миниатюризации конструкции) в одном элементе активную среду, оптический резонатор и элементы управления.
Современные ТЛПН являются не только объектом фундаментальных исследований (исследование нелинейной динамики генерации, параметрических процессов, нелинейного преобразования и самопреобразования частоты излучения, невзаимных эффектов, механизмов возникновения динамического хаоса и т.п.), но и чрезвычайно эффективным инструментом для проведения фундаментальных исследований в различных областях физики (генерация сверхсильных световых полей, исследование свойств вещества в сверхсильных электромагнитных полях, стимулирование ядерных реакций, генерация коротких импульсов нейтронного, рентгеновского и g-излучения). Использование твердотельных лазеров при создании оптических стандартов частоты и проведении сверхточных измерений открывает новую страницу в области фундаментальной метрологии.
Коэффициент полезного действия ТЛПН почти на порядок превышает кпд традиционных лазеров. Для них характерна предельно высокая стабильность излучения и близкая к предельной временная и пространственная когерентность. Все это в сочетании с малыми габаритами и высокой надежностью обеспечивает широчайшие перспективы их научного и практического использования.
Совершенно очевидно, что фундаментальные исследования, необходимые для разработки высокоэффективных ТЛПН, расширения их функциональных возможностей и разработки методов управления режимами их генерации, являются весьма актуальными. Эти исследования способны обеспечить значительный прогресс не только в области фундаментальной лазерной физики, но и лазерной техники.
Одна из тенденций развития нового поколения твердотельных лазеров связана с исследованием возможности расширения их функциональных возможностей (возбуждение специфических режимов генерации, создание лазеров с перестраиваемой частотой излучения, с самопреобразованием частоты генерации, с изменяемой поляризацией излучения и т.п.).
Целями современных исследований в области твердотельных лазеров являются:

- создание высокостабильных малогабаритных лазеров с предельно малой шириной спектра,
- поиск новых высокоэффективных активных сред,
- поиск новых активных сред, обеспечивающих самопреобразование частот генерации,
- расширение функциональных возможностей ТЛПН,
- повышение эффективности генерации ТЛПН.

Ведущее положение в этом направлении занимают ученые США, Германии, Японии и некоторых других стран, где ТЛПН практически вытеснили традиционные лазеры, как в научных лабораториях, так и в лазерной технике. Сравнивая положение дел у нас и за рубежом, следует признать наше достаточно большое отставание в этой области. Это особенно заметно в области практического использования последних достижений фундаментальной лазерной физики. Исключение, может быть, составляют поиск и создание новых активных сред, где позиции российских ученых достаточно сильны.
Непосредственно с разработкой ТЛПН связаны теоретические и экспериментальные исследования нелинейной динамики излучения таких лазеров. Повышенный интерес к этим исследованиям обусловлен тем, что исследования нелинейной динамики твердотельных лазеров могут быть использованы для изучения общих закономерностей в поведении сложных распределенных нелинейных систем. В частности эти исследования могут быть использованы при изучении условий и причин возникновения автоколебаний, различного рода параметрических процессов и динамического хаоса в самых различных нелинейных системах.
Интерес к исследованиям нелинейной динамики излучения таких лазеров обусловлен и широким практическим применением монолитных одночастотных высокостабильных твердотельных лазеров при проведении фундаментальных исследований (поиск гравитационных волн, проверка основных положений квантовой электродинамики и теории относительности, фундаментальная квантовая метрология и т.д.) и в технике (доплеровские измерительные системы, оптическая связь, лазерная гироскопия и др.).
Основными объектами фундаментальных исследований в области нелинейной динамики твердотельных лазеров в настоящее время являются:

- кольцевые двунаправленные лазеры,
- лазеры, генерирующие на двух ортогонально поляризованных модах.
- связанные лазеры,
- лазеры с самопреобразованием частоты излучения,
- лазеры с нелинейными элементами внутри резонатора.

С точки зрения изучения наиболее общих закономерностей поведения сложных нелинейных систем наибольший интерес представляет нелинейная динамика кольцевых твердотельных лазеров. Такие лазеры представляют собой сложную нелинейную систему, в которой вследствие конкурентного взаимодействия встречных волн на наведенной решетке инверсной населенности, их нелинейной и линейной связи через обратное рассеяние могут возникать специфические режимы генерации, отсутствующие в линейных лазерах.
Среди наиболее актуальных задач можно отметить исследования нелинейного взаимодействия релаксационных и автомодуляционных колебаний, исследования фазовой динамики генерации в двунаправленных кольцевых лазерах, исследование причин возникновения, основных характеристик и сценариев развития динамического хаоса в автономных и неавтономных лазерах. Немаловажное значение имеет также исследование влияния амплитудной и частотной невзаимностей на нелинейную динамику генерации ТЛПН. В последние годы интенсивно начали развиваться исследования так называемых векторных лазеров (лазеров, генерирующих на ортогонально поляризованных модах).
Актуальной задачей является и исследование взаимной синхронизации ТЛПН и их синхронизации внешним сигналом. Интерес к таким исследованиям связан как с созданием высокостабильных мощных излучателей, так и с возможностью улучшения пространственных характеристик их выходного излучения.
За рубежом наибольшее внимание исследованию фундаментальных вопросов нелинейной динамики уделяется в США, Германии, Великобритании, Франции и Японии [26-29]. В России существует несколько сильных научных центров, ведущих исследования в области нелинейной динамики лазеров. Среди этих центров ведущее положение занимают НИИЯФ МГУ и ИПФ РАН, являющиеся "законодателями мод" в области исследования твердотельных кольцевых лазеров.
К рассмотренным выше проблемам непосредственно примыкают и фундаментальные проблемы, связанные с развитием волоконных лазеров и волоконной оптики в целом. В последнее десятилетие системы волоконно-оптической связи стали неотъемлемой частью технического прогресса. Эти стало возможным благодаря комплексным фундаментальным исследованиям, обеспечившим не только создание волоконных световодов с предельно малыми потерями, но и специальных источников излучения в нужном спектральном диапазоне. Постоянно растущие потребности человеческого общества в обмене информацией требуют дальнейшего роста скорости передачи и обработки информации. Одним из возможных путей решения этой проблемы является переход к созданию оптических каналов передачи информации со спектральным уплотнением.
Прогресс в этой области также невозможен без новых фундаментальных исследований, направленных на разработку и совершенствование как отдельных элементов оптических систем связи, так и новых принципов их построения. В области волоконной оптики усилия ученых в настоящее время сосредоточены на разработке и создании новых высокоэффективных источников оптического излучения, оптических усилителей и волоконных световодов.
В современных оптических линиях связи наиболее широко используются в качестве источников излучения полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, недостатком которых является высокая чувствительность длины волны излучения к изменению температуры, ограничивающая их практическое использование в системах со спектральным уплотнением. Более перспективным с этой точки зрения, по-видимому, является использование волоконных лазеров с полупроводниковой накачкой, генерирующих в диапазоне 1,53-1,62 мкм.
Дальнейшего совершенствования требуют и оптические усилители, среди которых наиболее перспективны ВКР-усилители. Их достоинством является то, что они обладают большой полосой усиления, могут быть созданы на основе волоконных световодов и могут работать в нужном спектральном диапазоне. Наконец, необходимым элементом любой системы связи являются сами волоконные световоды. Современные системы связи предъявляют жесткие требования к свойствам волоконных световодов, прежде всего к их оптическим потерям, дисперсии и эффективной площади моды.
Волоконная оптика очень интенсивно развивалась в последние годы. О ее достижениях достаточно ярко свидетельствуют параметры реализованных за рубежом оптических линий связи, приведенные, например в [30, 31]. Следует отметить, что немаловажный вклад в развитие волоконной оптики внесен и российскими учеными, многие разработки которых соответствуют самым высоким международным стандартам. Среди последних разработок можно, например, отметить создание весьма совершенных световодных ВКР-усилителей.
В последние годы получены принципиально новые результаты, открывающие новую эпоху в области квантовой метрологии. Эти успехи стали возможны, в значительной мере, благодаря прогрессу в области создания высокостабильных лазеров, генерирующих непрерывные последовательности фемтосекундных импульсов [3, 32]. Использование таких лазеров открывает принципиально новую возможность создания оптических часов, обеспечивает проведение высокоточных измерений абсолютных значений частот в оптическом диапазоне и других прецизионных измерений. Вклад российских ученых в этой области лазерной физики весьма велик.
Подведем некоторые итоги.
Практически все проблемы рассматриваемого раздела лазерной физики исследуются не только за рубежом, но и у нас в стране. Необходимо отметить, что размах исследований за рубежом (число научных групп, количество экспериментальных установок и особенно их оснащение) значительно превосходит наш. Однако степень влияния российских ученых на решение указанных выше проблем нельзя недооценивать. Об этом свидетельствует, в частности, весьма высокий уровень работ, выполненных при поддержке РФФИ (подробнее см. следующий раздел). Подтверждением этому служит и большое число публикаций российских ученых в наиболее престижных журналах (в том числе и зарубежных). В настоящее время наши ученые (часто при поддержке РФФИ) принимают самое активное участие практически во всех международных конференциях, где часто выступают с приглашенными докладами. Значителен объем и совместных с зарубежными коллегами исследований.
Оценивая степень влияния российских ученых на решение наиболее актуальных задач лазерной физики, следует, по-видимому, охарактеризовать это влияние как заметное.
Вмести с тем, нельзя не отметить, что в России довольно четко намечается тенденция сокращения экспериментальных исследований. Особенно это касается тех областей лазерной физики, где проведение исследований на современном уровне невозможно без кардинального обновления материальной базы и использования современных технологий. Это относится как к исследованиям в области сверхсильных световых полей, так и к исследованиям нелинейной динамики твердотельных лазеров и созданию сверхстабильных лазеров для прецизионных исследований.
Эта тенденция обусловлена тем, что развитие науки на современном уровне требует кардинального изменения экспериментальной техники. Это связано не только с широким использованием компьютерных технологий, но и с необходимостью общего переоснащения научных лабораторий современным научным оборудованием, включающим и собственно современную лазерную технику (высокостабильные одночастотные лазеры мощностью в несколько десятков ватт, лазеры, генерирующие мощные фемтосекундные импульсы с высокой частотой следования, мощные перестраиваемые лазеры), высококлассные спектральные приборы, цифровые измерительные приборы с полосой пропускания в несколько гигагерц, приемники (регистраторы) излучения, способные работать в пико- и фемтосекундном диапазоне. Такое переоснащение уже произошло в подавляющем большинстве зарубежных лабораторий.
Совершенно очевидно, что переоснащение наших научных центров требует значительных финансовых затрат, исчисляемых сотнями тысяч долларов, что представляется весьма проблематичным в настоящее время.
Рассматривая современное состояние исследований в области лазерной физики, нельзя не отметить, что несколько возросшее в последнее время финансирование проектов (увеличение "стоимости" гранта) оказалось крайне существенным для активно работающих научных коллективов и уже позволило им несколько улучшить состояние материальной базы. Однако совершенно очевидно, что такое увеличение финансирования явно недостаточно для успешного развития экспериментальных фундаментальных исследований на современном научном уровне.
В более выгодном положении находятся наши теоретики, работа которых в меньшей степени связана с техническим обеспечением. Несмотря на значительную "утечку мозгов", в России в настоящее время существует много высококлассных теоретических групп, работающих на мировом уровне и определяющих, в ряде случаев, дальнейшее развитие ряда областей лазерной физики.
Анализируя состав исполнителей проекта и авторов публикаций по материалам проектов можно отметить, что в последние годы научные кадры заметно пополнились первоклассными молодыми исследователями. Это является, несомненно, положительным фактором и свидетельствует о росте потенциала научных центров.

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