6 В.Б. Карасев, А.А. Мак, В.Ю. Храмов, В.Е. Яшин

НОВЫЕ ПРОГРАММЫ СОВМЕСТНЫХ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЛАЗЕРНОЙ

ФИЗИКЕ И ОПТИКЕ

В.Б. Карасев, А.А. Мак, В.Ю. Храмов, В.Е. Яшин

Научно-педагогическое и техническое сотрудничество

Государственного оптического института имени С.И. Вавилова и СанктПетербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета) продолжается уже более 30 лет. В 1988 году оно было закреплено созданием филиала кафедры квантовой электроники и биомедицинской оптики ИТМО при лазерном отделе ГОИ, который в 1993 году был преобразован в самостоятельный научно-исследовательский институт лазерной физики (НИИЛФ). Формы сотрудничества при этом могут быть самыми разнообразными - от взаимных консультаций до непосредственного участия сотрудников и студентов университета в научных работах НИИИЛФ и участия специалистов НИИИЛФ в исследованиях, проводимых на кафедрах университета. Многие из разрабатываемых в настоящее время научных проблем, бесспорно, являются задачами XXI века, и их успешное решение будет содействовать прогрессу мировой цивилизации в новом столетии.

В настоящее время сформирован целый ряд направлений взаимодействия СПб ГИТМО и НИИЛФ. Здесь, в первую очередь, необходимо отметить исследования в области твердотельных и газовых лазеров, динамической коррекции аберраций в лазерах и оптических системах, теории бистабильных систем, применения лазерной физики и оптики в учебных технологиях. Совместно изучаются проблемы доставки лазерного излучения на большие расстояния, в том числе передача энергии с Луны на Землю, а также вопросы взаимодействия мощного излучения с материей.

При выполнении работ в рамках Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы" были выделены следующие актуальные задачи:

• генерация и применение сверхсильных световых полей;

• оптические солитоны и предельно короткие импульсы;

• методы нелинейной оптики для управления параметрами лазерного излучения;

• новые оптические эффекты при взаимодействии света с биотканями;

• компьютерные лабораторные работы по лазерной физике и оптике.

Остановимся кратко на выбранных нами задачах.

Новые программы совместных фундаментальных исследований… Работы по направлению "Генерация и применение сверхсильных световых полей" предназначены для комплексного изучения генерации сверхсильных световых полей и их применений. В процессе выполнения исследований основное внимание уделяется вопросам генерации сверхкоротких лазерных импульсов в лазерах с самосинхронизацией аксиальных мод, физике и технике лазерных систем с усилением и сжатием фазомодулированных импульсов. Важная роль отводится вопросам нелинейной оптики сверхкоротких лазерных импульсов, включая самовоздействие излучения, генерацию оптических гармоник, вынужденное комбинационное рассеяние, а также физике взаимодействия интенсивных лазерных пучков с плотной высокотемпературной плазмой.

Таким образом, в рамках данного направления предполагается проводить исследования в очень широких областях не только лазерной физики, но и нелинейной оптики, физики плазмы и взаимодействия излучения с веществом.

Целью работ по направлению "Оптические солитоны и предельно короткие импульсы" является разработка последовательной теории структур света с предельной степенью концентрации световой энергии, сохраняющейся при распространении этих структур в оптических средах на трассах значительной протяженности. Сюда входит как собственно теория таких структур, включая их классификацию, поиск их новых типов, описание взаимодействия с неоднородностями среды и друг с другом, так и теория и численное моделирование схем их формирования, а также анализ их возможных применений. В настоящее время основные усилия направлены на теоретический анализ механизма формирования фемтосекундными лазерными импульсами трехмерных солитонов (‘световых пуль’) в воздухе, изучение структуры предельно коротких солитонов, анализ векторных (поляризационных) диссипативных локализованных структур в пассивных нелинейнооптических и лазерных системах, разработку методов приближенного аналитического и численного решения нелинейных уравнений Максвелла вне рамок применимости квазиоптического уравнения. Анализируются возможные приложения оптических солитонов и предельно коротких импульсов для передачи и обработки информации, диагностики оптических неоднородностей и прецизионной обработки материалов.

При выполнении теоретических исследований используются как общие методы теоретической и математической физики, так и специальные методы, ранее разработанные участниками программы для решения родственных задач (в том числе приближенный метод моментов, энергетического соотношения и т.д.). Широко применяется численное моделирование с привлечением специализированных пакетов 8 В.Б. Карасев, А.А. Мак, В.Ю. Храмов, В.Е. Яшин компьютерных программ, также создаваемых сотрудниками СПб ГИТМО и НИИЛФ.

Направление "Методы нелинейной оптики для управления параметрами лазерного излучения" посвящено созданию серии малогабаритных твердотельных лазеров, генерирующих в сине-зеленой и ближней ИК области спектра, с накачкой от импульсных ламп и лазерных диодов, исследованию спектрально-люминисцентных и теплофизических характеристик новых эффективных лазерных сред, разработке оптических схем и технологии изготовления лазерных элементов и преобразователей частоты для мини- и чип-лазеров, построению и исследованию оптических схем твердотельных лазеров с максимальной энергетической эффективностью, в том числе с внутрирезонаторным преобразованием частоты генерируемого излучения, а также изучению проблемы устойчивости пространственно-энергетических характеристик излучения таких лазеров к внешним возмущающим воздействиям. Полученные данные будут использованы в дальнейшем при проектировании лазеров, устанавливаемых в лидарные, дальнометрические, лазернотехнологические, в частности, медицинские комплексы, системы оптической связи и транспорта лучевой энергии.

В направлении "Новые оптические эффекты при взаимодействии света с биотканями" предполагается проведение теоретических и экспериментальных исследований режимов взаимодействия интенсивных сверхкоротких лазерных импульсов с твердыми тканями в норме и патологии, разработка теории нелинейного рассеяния лазерного излучения в биоткани, исследование дисперсии нелинейно-оптических свойств биотканей в ближнем ИК диапазоне и динамики изменения этих свойств под воздействием агрессивных факторов среды и лечебных процедур.

В комплексе работ по Федеральной целевой программе "Интеграция" большое внимание уделяется вопросам компьютеризации и введению новых образовательных технологий в учебный процесс. С целью усиления фундаментальной подготовки студентов в области теории лазеров начаты совместные работы по созданию компьютерных лабораторных работ по курсу "Теория лазеров". В частности, предполагается разработать оригинальные алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие численно моделировать процессы генерации когерентного лазерного излучения в твердотельных лазерах, распространение когерентного излучения в свободном пространстве, а также формирование пространственных мод в резонаторах лазеров произвольной конфигурации.

Предлагаемый к разработке программный комплекс должен содержать следующие компьютерные лабораторные работы:

• исследование лазера в режиме свободной генерации;

• исследование лазера в режиме активной модуляции добротности;

Новые программы совместных фундаментальных исследований… • исследование лазера в режиме пассивной модуляции добротности;

• исследование лазерного усилителя;

• лазерные резонаторы;

• оптические системы для преобразования лазерного излучения;

• численное моделирование широкоапертурных лазерных систем.

Лабораторные работы позволят изучить влияние основных физических факторов, определяющих динамику генерации лазера, на пространственновременную структуру излучения и его энергетические характеристики.

Хорошим примером такой разработки, на наш взгляд, может служить уже реализованный комплекс компьютерных лабораторных работ по основам лазерной оптики (см. статью Н.Р. Белашенкова, В.Б. Карасева с соавторами в настоящем сборнике). Комплекс предназначен для решения двух задач, являющихся ключевыми при изучении курса "Теория лазеров" – моделирование дифракции когерентного излучения на совокупности апертур различной формы и моделирование динамики процесса развития генерации при импульсном режиме работы лазера. Кроме того, возможности комплекса позволяют использовать его в других курсах и дисциплинах, таких как "Основы оптики", "Когерентная и нелинейная оптика", "Лазерная техника", "Теория лазеров" и т.д.. Комплекс уже показал свою полезность как демонстрационный материал при знакомстве абитуриентов с будущей специальностью, при изучении дисциплины "Введение в специальность", а также как вводный материал при выполнении лабораторных работ.

Немаловажную роль в подготовке специалистов по лазерной физике и оптике может сыграть СУБД "Лазерная физика". Разработка базы данных "Лазерная физика" преследует цель создать достаточно полный, доступный и удобный в обращении программный продукт, содержащий информацию о современном состоянии лазерной физики и технологии. СУБД "Лазерная физика" окажет помощь студентам в быстром и доступном получении информации, необходимой для их образования, выполнения курсовых и дипломных работ. Она будет также полезна опытному специалисту и преподавателю при выполнении исследовательских работ и создании лекционных курсов. СУБД "Лазерная физика" должна использовать возможности мировых глобальных компьютерных сетей и, со своей стороны, может быть представлена в Internet. СУБД "Лазерная физика" будет состоять из нескольких баз данных, связанных между собой; в качестве первого шага предполагается создать базу данных "Основные характеристики современных лазеров".

Неотъемлемой частью проводимых совместных научных исследований является создание и разработка новых учебных планов и программ по направлению 551900 "Оптотехника" и специальности 072300 "Лазерная техника и лазерные технологии" подготовки бакалавров, специалистов, магистров и аспирантов, специализирующихся в лазерной физике, технике, оптике, разнообразных лазерных технологиях.

Плодотворный опыт многолетнего сотрудничества НИИЛФ и СПб ГИТМО позволяет вступать в XXI век с новыми оригинальными идеями и разработками в области лазерной оптики и лазерных технологий.