АННОТАЦИОННЫЙ ОТЧЕТ

О ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЕКТОВ

ПО КОМПЛЕКСНОЙ ПРОГРАММЕ № 13

НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЗИДИУМА РАН

в 2012 ГОДУ

«ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ

И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ»

Координаторы Программы:

Директор ИЛФ СО РАН академик С.Н. Багаев Научный руководитель ИПФ РАН академик А.В. Гапонов-Грехов

АННОТАЦИОННЫЙ ОТЧЕТ О ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЕКТОВ

ПО ПРОГРАММЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЗИДИУМА РАН

«ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ

И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ»

в 2012 ГОДУ В 2012 г. начато выполнение обновленной программы "Экстремальные световые поля и их приложения " по 6 направлениям:

1. Мульти-петаватные и субэкзаваттные лазеры.

2. Субпетаваттные лазеры с высокой частотой повторения импульсов.

3. Лазерно-плазменное ускорение заряженных частиц до ультрарелятивистких энергий.

4. Физика и фундаментальные основы практических приложений взаимодействия сверхсильных оптических полей с веществом.

5. Ультрастабильные источники оптического излучения и высокопрецизионная фемто- и аттосекундная метрология.

6. Новые оптические материалы и элементная база для лазеров с экстремальными параметрами.

Программа включает 42 научных проекта, выполнявшихся в 19-ти институтах РАН: Институт прикладной физики РАН, Институт общей физики РАН, Физический институт РАН, Институт физики микроструктур РАН, Научный центр волоконной оптики РАН, Институт спектроскопии РАН, Институт кристаллографии РАН, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники РАН, Объединенный институт высоких температур РАН, Институт химической физики РАН, Институт химии высокочистых веществ РАН, Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Институт лазерной физики СО РАН, Институт сильноточной электроники СО РАН, Институт оптики атмосферы СО РАН, Институт ядерной физики СО РАН, Институт геологии и минералогии СО РАН, Институт электрофизики УрО РАН, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Важным аспектом программы является ее междисциплинарный характер, что обеспечивается участием институтов 3-х отделений РАН: Отделения физических наук, Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления и Отделения химии и наук о материалах. В выполнении проектов участвовали институты всех трех региональных отделений РАН.

В рамках направления "Мульти-петаватные и субэкзаваттные лазеры" на основе достижений в создании самых мощных в мире петаваттных параметрических усилителей света в ИПФ РАН разработана концепция экзаваттного лазерного комплекса – проект XCELS, включенный в число шести российских проектов класса мега-сайенс для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие. Проект базируется на отечественных технологиях выращивания широкоапертурных нелинейно-оптических кристаллов DKDP, создания килоджоульных наносекундных твердотельных лазеров накачки, а также на использовании передовых методов адаптивной оптики для когерентного суммирования мощных лазерных пучков. В ИЛФ СО РАН экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность когерентного сложения параметрически усиленных фемтосекундных импульсов с длительностью 20-25 фс с эффективностью более 90% с помощью разработанной прецизионной электронно-оптической схемы стабилизации относительного временного джиттера. Проанализированы основные факторы, определяющие условия реализации когерентного сложения.

В ИСЭ СО РАН совместно с ФИАН в гибридной фемтосекундной системе достигнута рекордная для видимого диапазона пиковая мощность 14 ТВт в импульсах длительностью фс. Измерен усиленный спонтанный шум конечного XeF(C-A)-усилителя и показано, что временной контраст гибридной системы может достигать 1012 – 1013.

По направлению "Субпетаваттные лазеры с высокой частотой повторения импульсов" продолжалась разработка элементной базы высокоинтенсивных твердотельных лазерных систем на основе широкополосных параметрических усилителей, работающих с высокой частотой повторения. В ИЛФ СО РАН разработаны конфигурации оптических схем и проведены расчеты поэтапного увеличения выходной мощности канала усиления до субпетаваттного уровня на основе параметрического усиления в кристаллах LBO при пикосекундной накачке. Реализован первый каскад усиления в канале накачки на базе регенеративного Yb:KYW усилителя с коэффициентом усиления до 106. В ИПФ РАН для криогенного дискового лазера на основе Yb:YAG-керамики разработан высокоэффективный предварительный усилитель с энергией на выходе 30 мДж, частотой повторения импульсов 1 кГц и оптической эффективностью 33% и основной усилитель с энергией 230 мДж при частоте повторения 150 Гц.

Для увеличения средней мощности лазера разработана и апробирована проточная система охлаждения жидким азотом и использован композитный активный элемент.

В рамках работ по направлению "Лазерно-плазменное ускорение заряженных частиц до ультрарелятивистких энергий" в ИПФ РАН экспериментально обнаружено формирование квазимонохроматических пучков ускоренных электронов при фокусировке фемтосекундного лазерного излучения интенсивностью до 21017 Вт/см2 на торец алюминиевой фольги. Распределение электронов по энергии имело пик с максимумом в диапазоне энергий 200- кэВ с шириной менее 20%. Механизм ускорения электронов связан с генерацией плазменной волны в результате самомодуляционной неустойчивости лазерного импульса в плотной плазме, созданной предимпульсом, приходящим за ~10 нс до основного импульса. Проведенное одномерное PIC моделирование распространения лазерного излучения в плазме с концентрацией 51019 см-3 показало, что при наличии неоднородностей на границе плазмы либо во временной форме пучка может происходить эффективное возбуждение плазменной волны, захват и ускорение пучков электронов до энергий порядка 1 МэВ. Такие пучки могут быть использованы для инжекции в лазерно-плазменные ускорители, значительно улучшая качество выходного электронного пучка с энергией вплоть до нескольких ГэВ. Кроме того, предложена новая схема генерации и ускорения многозарядных ионов на основе взаимодействия петаваттных лазерных импульсов со структурированными многокомпонентными мишенями. Как показали расчёты в результате взаимодействия интенсивного (около 5 ПВт) оптического излучения с фольгой может быть сформирован пучок многозарядных ионов пиковой мощностью до 100 ТВт с энергиями в районе 28 МэВ/нуклон и разбросом по энергиям не превышающим нескольких процентов. В ИЛФ СО РАН и ИЯФ СО РАН произведено теоретическое обоснование новой схемы каналирования драйвера для лазер-плазменного кильватерного ускорения. Показано, что при контрасте лучше 106 возможен ввод до 85% энергии лазерного импульса в основную моду узкого круглого металлического капилляра, обладающую малым коэффициентом затухания (0.02 см-1 для медного капилляра радиуса 15 мкм).

При экспериментальной реализации кильватерного ускорения в таком капилляре возможно достичь энергии электронов более 1 ГэВ при энергии лазерного драйвера 300 мДж и длительности 50 фсек.

В рамках направления "Физика и фундаментальные основы практических приложений взаимодействия сверхсильных оптических полей с веществом" в ОИВТ РАН разработана фемтосекундная интерферометрическая методика измерений динамики деформации поверхностного слоя при однократном воздействии на мишень с использованием пробного чирпированного импульса. Методика обеспечивает непрерывную регистрацию величины смещения поверхности образца от времени в интервале 0250 пс с временным разрешением 2 пс. С помощью этой методики проведены измерения динамики деформации и откольной прочности на тыльной свободной поверхности алюминиевой мишени. В ИОФ РАН получены новые экспериментальныe данные о механической прочности мишеней из Al, сплава АМг6М, ПММА, Ta, W, Cu, Pd, C, Si и Pb при воздействии на них лазерным излучением длительностью 70 пс. Полученные результаты показали, что при больших давлениях наблюдается рост откольной прочности, что может указывать на упрочнение материала.

В ИПФ РАН с использованием сэндвич-структуры, состоящей из 30 мкм слоя ниобата лития, кремниевой призмы и металлической подложки с варьируемым воздушным зазором, достигнута рекордная эффективность конверсии (~ 0.25%) излучения фемтосекундного лазера в широкополосное ТГц излучение. Продемонстрирована возможность перестройки ТГц спектра путем изменения ширины воздушного зазора. Впервые экспериментально исследована генерация ТГц излучения при пробое воздуха двухчастотным лазерным излучением с мощной высокочастотной волной (800 нм) слабой низкочастотной (1600 нм). Измерены зависимости средней мощности терагерцового излучения от энергии импульсов волн накачки, а также поворота плоскости поляризации и, впервые, частотной отстройки низкочастотной волны накачки.

В ИХФ РАН с помощью усовершенствованой установки фемтосекундного лазерного манипулятора для проведения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами разработаны фундаментальные основы лазерной технологии получения чистых линий млекопитающих - моделей болезней (например, диабета, заболевания нервной системы и т.п.). Проведение подобных операций альтернативными методами (механический микроманипулятор, пьезоманипулятор и т.д.) практически невозможно. В ОИВТ РАН на базе иттербиевого фемтосекундного лазера разработан метод локализованного и обратимого изменения проницаемости клеточной мембраны и введения в клетки внеклеточного материала. С помощью флуоресцентной микроскопии разработана методика диагностики заполнения клеток макромолекулами.

В рамках исследований по направлению "Ультрастабильные источники оптического излучения и высокопрецизионная фемто- и аттосекундная метрология" продолжены работы по созданию фемтосекундного оптического стандарта частоты для системы ГЛОНАСС (стабильность 10-16 и выше). В ФИАН подтвердили возможность создания малогабаритного транспортируемого Сr:ZnSe/CH4 оптического стандарта на основе впервые зарегистрированых узких внутри допплеровских резонансов насыщенной дисперсии на синглетной Екомпоненте линии R(2) полосы 1+4 метана ( = 2.36 мкм) в излучении твердотельного Сr:ZnSe лазера с метановой ячейкой. В ИЛФ СО РАН проведены исследования синтезаторов оптических частот на основе высокостабильных фемтосекундных волоконных лазеров, малошумящих усилителей и оптоволоконных уширителей спектра для прецизионных мобильных оптических систем. Ведутся исследования по созданию нового поколения оптических стандартов частоты со стабильностью не хуже 10-17 на основе одиночного иона иттербия-171.

Выполнено проектирование и испытание основных узлов радиочастотной ионной ловушки.

Разработана и исследована лазерная система для допплеровского охлаждения иона. Предложен метод существенного подавления сдвига частоты эталонного перехода в атоме или ионе, связанного с тепловым излучением окружающей среды. Совместно с Физико-техническим Институтом (PTB, Брауншвейг, Германия) впервые разработана и экспериментально опробована методика подавления светового сдвига частоты эталонного перехода в ионе иттербия с помощью «гипер-Рамзи» возбуждения. Продемонстрирована возможность субдоплеровского охлаждения атомов магния до температуры T25 мкК и загрузки их в оптическую «решетку»

для оптического стандарта частоты на основе ультрахолодных атомов магния. Разработаны компактные лазерные системы для стандартов частоты и исследованы их спектральные характеристики, получена субкилогерцовая ширина линии «часового» лазера.

В ИСАН начаты исследования нанолокализованных источников фемтосекундного излучения на основе нано-отверстия в проводящем экране, облучаемом лазерным светом. Показано, что чрезвычайно высокая оптическая восприимчивость 3-го порядка в металлических нанострукрурах и наличие сильных плазмонных резонансов, позволяют реализовать эффективный нанолокализованный источник излучения на частоте генерации 3-й гармоники и широкополосное фемтосекундное излучение на основе фотолюминисценции металла.

По направлению "Новые оптические материалы и элементная база для лазеров с экстремальными параметрами" усилиями ряда институтов (ИРЭ РАН, ИЭФ УрО РАН, ИЛФ СО РАН, ИХВВ РАН, ИПФ РАН, ФИРЭ РАН) проведено исследование и оптимизация режимов спекания лазерной керамики, включая режим нагрева СВЧ-излучением, получены и исследованы новые образцы лазерной керамики, продемонстрирована лазерная генерация. В частности, получены керамики Y2O3, в том числе легированные La, Nd и Yb, размером до 18х2.5 мм с пропусканием более 83% в области 1 мкм; керамики иттрий-алюминиевого граната с Nd и Yb лазерного качества размером до 26х3 мм с пропусканием до 84.5%; керамики с разупорядоченной кристаллической структурой нового состава [(YbxLuyY1-x-y)2O3]a(ZrO2)b, где x + y < 1, a + b = 1, с шириной спектральной линии на уровне 0.4 интенсивности 60 нм и пропусканием 80.57%. При использовании керамики Y2O3 и керамики с разупорядоченной кристаллической структурой в качестве активной среды получена генерация излучения на длине волны 1.03 мкм, причем в последнем случае дифференциальный КПД составил 29.2%.

В ИПФ РАН и НЦВО РАН разработан волоконно-оптический источник фемтосекундных импульсов в диапазоне длин волн 0.9 – 1.1 мкм, который может быть использован в качестве задающего генератора для мощных волоконных и параметрических систем, а также создан полностью волоконный фемтосекундный лазер с плавной перестройкой по длине волны в полосе усиления тулиевого волоконного усилителя (1.8 – 2.1 мкм), на выходе которого энергия лазерных импульсов составила 56 нДж при частоте повторения импульсов 5 МГц.

Направление Программы "Поддержка участия институтов РАН в подготовительной стадии мегапроекта ЦИЭС по созданию субэкзаваттного лазера" в 2012 году из-за недостатка средств не финансировалось.

По результатам выполнения Программы была проведена конференция, на которой были заслушаны выступления руководителей всех проектов. Из анализа этих выступлений, последующей дискуссии и представленных письменных отчетов можно сформулировать наиболее важные результаты.

1. На основе достижений в создании самых мощных в мире петаваттных параметрических усилителей света разработана концепция строительства экзаваттного лазерного комплекса - проект XCELS. Проект базируется на отечественных технологиях выращивания широкоапертурных нелинейно-оптических кристаллов DKDP, создания килоджоульных наносекундных твердотельных лазеров накачки, а также на использовании передовых методов адаптивной оптики для когерентного суммирования мощных лазерных пучков. XCELS включен в число шести российских проектов класса мега-сайенс для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие. (ИПФ РАН).

2. Впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность когерентного сложения параметрически усиленных импульсов длительностью 25 фс. Сложение импульсов с энергией 3 мДж с эффективностью более 90% реализовано с использованием сферического зеркала и разработанной прецизионной электронно-оптической схемы стабилизации относительного временного джиттера. Проанализированы основные факторы, определяющие условия реализации когерентного сложения. Проведённый анализ и экспериментальные данные подтверждают отсутствие принципиальных ограничений на когерентное сложение импульсов вплоть до мульти-петаваттной мощности. (ИЛФ СО РАН).

3. Разработаны ключевые элементы для лазеров с высокой пиковой мощностью и с высокой частотой повторения импульсов: регенеративный Yb:KYW усилитель с коэффициентом усиления до 106 для накачки параметрического усиления фемтосекундных импульсов в нелинейно-оптических кристаллах группы боратов, а также криогенный дисковый лазер на Yb:YAG-керамике, включающий высокоэффективный предварительный усилитель с энергией на выходе 30 мДж, частотой повторения импульсов 1 кГц и оптической эффективностью 33% и силовой усилитель с энергией 230 мДж при частоте повторения 150 Гц. Для увеличения средней мощности лазера разработана и апробирована проточная система охлаждения жидким азотом и использован композитный активный элемент. (ИПФ РАН, ИЛФ СО РАН).

4. Предложена новая схема генерации и ускорения многозарядных ионов на основе взаимодействия петаваттных лазерных импульсов со структурированными многокомпонентными мишенями. Факторами, определяющими эффективность схемы, являются создание монозарядных ионов, ускорение полем разделения зарядов, возникающим при пондемоторном отжатии электронов вглубь мишени, и обужение энергетического спектра ионов при разлете многокомпонентной плазмы. В численном эксперименте показано, что при помощи современных лазерных систем ионы с зарядом до 30 могут быть эффективно получены и ускорены до энергий в десятки МэВ/нуклон с выходной мощностью до десятков ТВт и током до сотен кА, при этом разброс по энергиям может не превышать нескольких процентов. (ИПФ РАН).

5. Усовершенствована установка фемтосекундного лазерного манипулятора для проведения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами; проведение подобных операций альтернативными методами практически невозможно. Разработаны фундаментальные основы лазерной технологии получения чистых линий млекопитающих - моделей болезней (например, диабета, заболевания нервной системы и т.п.). На основе излучения иттербиевого фемтосекундного лазера разработан метод локализованного и обратимого изменения проницаемости клеточной мембраны и контролируемого введения в клетки внеклеточного материала. (ИХФ РАН, ОИВТ РАН).

6. Впервые зарегистрированы узкие внутри-допплеровские резонансы насыщенной дисперсии на синглетной Е-компоненте линии R(2) полосы 1+4 метана ( = 2.36 мкм) в излучении твердотельного Сr:ZnSe лазера с метановой ячейкой. Подтверждена возможность создания малогабаритного транспортируемого Сr:ZnSe/CH4 оптического стандарта частоты для системы ГЛОНАСС. Разработаны оптимальные синтезаторы оптических частот на основе высокостабильных фемтосекундных волоконных лазеров, малошумящих усилителей и оптоволоконных уширителей спектра для прецизионных мобильных оптических систем. Проведены исследования по разработке нового поколения атомных стандартов частоты на основе одиночного иона иттербия-171 и ультрахолодных атомов магния со стабильностью не хуже 10-17. Предложен новый метод подавления теплового сдвига частоты эталонного перехода в атоме или ионе. Совместно с Физико-техническим Институтом (PTB, Брауншвейг, Германия) впервые разработана и экспериментально опробована методика подавления светового сдвига частоты эталонного перехода в ионе иттербия с помощью «гипер-Рамзи» возбуждения. Продемонстрирована возможность субдоплеровского охлаждения атомов магния до температуры T25 мкК и загрузки их в оптическую «решетку». (ФИАН, ИЛФ СО РАН).

7. Проведено исследование и оптимизация различных режимов спекания лазерной керамики, включая режим нагрева СВЧ-излучением, изготовлены и исследованы новые образцы лазерной керамики. Получены керамики иттрий-алюминиевого граната с Nd и Yb хорошего качества с рекордным пропусканием до 84.5%; а также керамики с разупорядоченной кристаллической структурой нового состава [(YbxLuyY1-x-y)2O3]a(ZrO2)b, где x + y < 1, a + b = 1, с рекордной шириной спектра линии генерации иттербия 60 нм. При использовании керамики с разупорядоченной кристаллической структурой в качестве активной среды получена генерация излучения на длине волны 1.03 мкм с рекордным дифференциальным КПД 29.2%. (ИРЭ РАН, ИЭФ УрО РАН, ИЛФ СО РАН, ИХВВ РАН, ИПФ РАН, ФИРЭ РАН) Достигнутые результаты, безусловно, являются результатами мирового уровня, свидетельством чему является полноценное участие нашей страны (представленной институтами РАН) в международных проектах по созданию уникальных лазерных установок. Крупнейшими из таких проектов являются проекты ELI (Extreme Light Infrastructure), IZEST (International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology) и HiPER (High Power laser Energy Research). Кроме того были продолжены работы по проекту мега-сайенс XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies), целью которого является создание лазерного комплекса субэкзаваттного уровня. В настоящее время идут переговоры об объединении проектов ELI и ЦИЭС в один проект, реализуемый на территории России.

В данном отчете представлены наиболее важные результаты по всем проектам Программы.

НАПРАВЛЕНИЕ 1. МУЛЬТИ-ПЕТАВАТНЫЕ И СУБЭКЗАВАТТНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Проект 1.1. 10-петаваттный лазерный комплекс на основе параметрического усиления в кристаллах DKDP (Е.А. Хазанов, ИПФ РАН) На основе достижений в создании самых мощных в мире петаваттных параметрических усилителей света PEARL и ФЕМТА разработана концепция экзаваттного лазерного комплекса – проект XCELS. Проект базируется на отечественных технологиях выращивания широкоапертурных нелинейно-оптических кристаллов DKDP, создания килоджоульных наносекундных твердотельных лазеров накачки, а также на использовании передовых методов адаптивной оптики для когерентного суммирования мощных лазерных пучков. XCELS включен в число шести российских проектов класса мега-сайенс для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие. (Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS).

http://www.xcels.iapras.ru/) Проект 1.2. Разработка базовых принципов создания лазерной системы ультрарелятивистской интенсивности на основе когерентного сложения оптических полей с фазовой синхронизацией по оптическим часам (С.Н. Багаев, В.И. Трунов, ИЛФ СО РАН) Впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность когерентного сложения параметрически усиленных фемтосекундных импульсов (длительность 20-25 фс). Сложение импульсов с энергией 1-3 мДж с эффективностью более 90% реализовано с использованием сферического зеркала и разработанной нами прецизионной электронно-оптической схемы стабилизации относительного временного джиттера. Проанализированы основные факторы, определяющие условия реализации когерентного сложения. Проведённый анализ и экспериментальные данные подтверждают отсутствие принципиальных ограничений на масштабирование по интенсивности методом когерентного сложения двухканальной субпетаваттной лазерной системы, развиваемой в Институте лазерной физики СО РАН. (1. S.N. Bagaev, V.I. Trunov, S.A. Frolov, E.V. Pestryakov, V.E. Leschenko, A.E. Kokh, V.A.

Vasiliev, "Development of ultrarelativistic laser system based on coherent combining of parametrically amplified beams locked by optical clock", 21 annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'12) 23-27July 2012, Calgary. Canada, Summaries LPHYS'12 (СD) p.15; 2. V.I. Trunov, S.N. Bagayev, E.V. Pestryakov, S.A. Frolov, V.E. Leschenko, A.V. Kirpichnikov, A.E. Kokh, V.V.

Petrov, V.A. Vasiliev, Ultrarelativistic laser systems based on coherent beam combining, AIP Conf.Proc,18-22, 2012).

Проект 1.3. Разработка ключевых технологий развития гибридных (твердое тело/газ) петаваттных систем видимого диапазона на основе фотохимических усилителей (Л.Д. Михеев, ФИАН, ИСЭ СО РАН, МГУ) В гибридной фемтосекундной системе THL-100 достигнута рекордная для видимого диапазона пиковая мощность 14 ТВт в импульсах длительностью 50 фс. Измерен усиленный спонтанный шум конечного XeF(C-A)-усилителя и показано, что временной контраст гибридной системы может достигать 1012 – 1013. Обнаружено новое явление уширения спектра и сокращения длительности отрицательно чирпированных фемтосекундных импульсов видимого диапазона при нелинейном взаимодействии широкоапертурных пучков с оптическими материалами, обладающими нормальной дисперсией и кубической нелинейностью. Предложен механизм его возникновения на основе совместного действия фазовой самомодуляции и четырехволнового смешения. (С.В. Алексеев, А.И. Аристов, Н.Г. Иванов, Б.Н. Ковальчук, В.Ф. Лосев, Г.А. Месяц, Л.Д. Михеев, Ю.Н. Панченко, Н.А. Ратахин, "Мультитераваттная фемтосекундная система THL-100 гибридного типа на основе фотодиссоционного XeF(C-A)-усилителя видимого диапазона". Квантовая электроника, 42 (2012) 377).

НАПРАВЛЕНИЕ 2. СУБПЕТАВАТТНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ

ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ

Проект 2.1. Разработка субпетаваттной фемтосекундной твердотельной лазерной системы с высокой средней мощностью (Е.В. Пестряков, В.В. Петров, ИЛФ СО РАН) В рамках проекта проведена разработка элементной базы высокоинтенсивной твердотельной лазерной системы, работающей с высокой частотой повторения при оптической синхронизации канала параметрического усиления фемтосекундных импульсов в нелинейнооптических кристаллах группы боратов и пикосекундного канала накачки параметрических усилителей на активных иттербиевых кристаллических и керамических средах, накачиваемых излучением лазерных диодов. Разработаны конфигурации оптических схем и проведены расчеты поэтапного увеличения выходной мощности канала усиления до субпетаваттного уровня на основе параметрического усиления в кристаллах LBO при пикосекундной накачке.

Реализован первый каскад усиления в канале накачки на базе регенеративного Yb:KYW усилителя с коэффициентом усиления до 106. (В.В. Петров, Е.В. Пестряков, В.И. Трунов, А.В. Кирпичников, М.А. Мерзляков, А.В. Лаптев, "Разработка криогенной лазерной системы на керамике, активированной ионами иттербия, с диодной накачкой", Оптика атмосферы и океана, Т.25, №3, 2012, С. 285-291).

Проект 2.2. Криогенный дисковый лазер с высокой средней (~1 кВт) и пиковой (~1 ТВт) мощностью для параметрической накачки мощного фемтосекундного лазера (О.В. Палашов, ИПФ РАН) Разработан высокоэффективный предварительный усилитель (ПУ) с энергией на выходе 30 мДж, частотой повторения импульсов 1 кГц и оптической эффективностью 33%. Для увеличения средней мощности лазера разработана и апробирована на ПУ проточная система охлаждения жидким азотом, использован композитный активный элемент. Сигнал из ПУ усилен до энергии 230 мДж при частоте повторения 150 Гц в основном усилителе. Показано, что композитные активные элементы (сварка тонкого Yb:YAG-диска и толстого YAG-диска) позволяют значительно увеличить эффективность дисковых лазеров. Разработана технология термодиффузионной сварки таких элементов. Простота технологии позволяет говорить о возможности изготовления широкоапертурных активных элементов с хорошим оптическим качеством. (О.Л. Вадимова, И.Б. Мухин, О.В. Палашов, Е.А. Хазанов, Е.А. Перевезенцев, И.И. Кузнецов, "Особенности расчета коэффициента усиления в криогенно охлаждаемых Yb:YAG дисках в условиях сильного тепловыделения", отправлено в Квантовую Электронику).

Проект 2.3. Разработка лазерной системы среднего ИК диапазона на основе параметрических усилителей для генерации мощных ультракоротких импульсов; фемто- и аттосекундная спектроскопия сверхбыстрых процессов (А.В. Ким, М.Ю. Рябикин, ИПФ РАН) Создана волоконная лазерная система для генерации и формирования двух оптически синхронных во времени импульсов: первого – затравочного импульса для усиления в параметрическом усилителе, и второго – мощного импульса накачки. Ключевым элементом системы является нелинейно-оптический преобразователь на основе высоконелинейного световода со смещенной дисперсией (HNL-DSF), в котором происходит генерация импульсов в диапазоне 1.6-1.8 мкм с длительностью 13 фс за счет эффектов многосолитонного сжатия, а также импульсов длительностью ~50 фс в диапазоне 1 мкм за счет синхронного взаимодействия солитона высокого порядка и дисперсионных волн. Средняя мощность на выходе составляет 0.6 Вт, что соответствует энергии импульса 0.6 мкДж при частоте повторения 1 МГц. Импульсы сжимаются до длительности около 250 фс в решеточном компрессоре, их спектральная ширина, составляющая 11 нм, позволяет достичь длительности ~150 фс при компенсации фазовых искажений. Для получения сигнальной волны в диапазоне 2.2-2.9 мкм будет использована генерация разностной частоты между импульсами на длинах волн 1 мкм и 1.6-1.8 мкм, либо холостая волна, генерируемая в предварительном маломощном параметрическом усилителе. (E.A. Anashkina, A.V. Andrianov, M.Yu. Koptev, V.M. Mashinsky, S.V. Muravyev, and A.V. Kim, "Generating tunable optical pulses over the ultrabroad range of 1.6m in GeO2 - doped silica fibers with an Er:fiber laser source", Optics Express (accepted)).

НАПРАВЛЕНИЕ 3. ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННОЕ УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ ДО УЛЬТРАРЕЛЯТИВИСТКИХ ЭНЕРГИЙ

Проект 3.1. Разработка и создание компактного лазерного ускорителя протонов и электронов на основе петаваттного лазерного источника (А.А. Шайкин, ИПФ РАН, Н.Н. Салащенко, ИФМ РАН) 1. Как показывают наши расчёты в результате взаимодействия интенсивного (около 5 ПВт) оптического излучения с фольгой может быть сформирован пучок многозарядных ионов пиковой мощностью до 100 ТВт с энергиями в районе 28 МэВ/нуклон и разбросом по энергиям не превышающим нескольких процентов. При этом ионный ток составит сотни кА, а эмиттанс пучка — 5х10-3 мм рад. Численное моделирование задачи захвата электронов в кильватерную струю при наличии скачка плотности плазмы показало перспективность использования градиента плотности для контролируемой загрузки существующего электронного сгустка в область ускоряющего поля. При подборе параметров концентрации плазмы (пространственный размер и величина скачка плотности) удаётся добиться эффективного ускорения. На нисходящем градиенте происходит захват электронов, затем они ускоряются до области нарастания концентрации. При увеличении концентрации предварительно ускоренные электроны переходят во вторую кавитационную область и продолжают свое ускорение.

Была модернизирована установка PEARL. Она расположена в чистом помещении. Имеется дополнительная защита персонала от ионизирующего излучения из мишенной камеры.

Увеличен размер транспортной оптики до чистой апертуры 200 мм. (A.V. Korzhimanov, E.S. Efimenko, S.V. Golubev, and A.V. Kim, "Generating high-energy highly charged ion beams from petawatt-class laser interactions with compound targets", Phys. Rev. Lett., 2012 (принято)).

2. Развита лабораторная технология изготовления свободновисящих многослойных структур, на основе которых разработан ряд рентгенооптических элементов с новыми свойствами. В частности, такие МС применяются в качестве многослойных зеркал (поляризаторы, фазо-сдвигающие делительные пластинки, дисперсионные элементы); абсорбционных спектральных фильтров для рентгеновской диагностики лабораторной и космической плазмы. Свободновисящие пленочные структуры нашли применение в стендах проекционной нанолитографии на длине волны = 13.5 нм (абсорбционные спектральные фильтры, пленки для защиты масок от загрязнений, корректоры аберраций объектива). Отрабатывается технология изготовления свободновисящих пленочных мишеней для источников протонов. (М.М.

Барышева, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало, "Прецизионная изображающая многослойная оптика для мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового диапазонов", Успехи физических наук. 2012, т.182. № 7. С.727-747).

Проект 3.2. Генерация когерентного рентгеновского излучения и ускорение электронов до ультрарелятивистских энергий при распространении интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов в диэлектрических капиллярах (А.М. Сергеев, ИПФ РАН) Формирование квазимонохроматических пучков ускоренных электронов было обнаружено при фокусировке фемтосекундного лазерного излучения интенсивностью до 21017 Вт/см2 на торец алюминиевой фольги. Распределение электронов по энергии имело пик с максимумом в диапазоне энергий 200-700 кэВ с шириной менее 20%. Механизм ускорения электронов связан с генерацией плазменной волны в результате самомодуляционной неустойчивости лазерного импульса в плотной плазме, созданной предимпульсом, приходящим за ~10 нс до основного импульса. Проведенное одномерное PIC моделирование распространения лазерного излучения в плазме с концентрацией 51019 см-3 показало, что при наличии неоднородностей на границе плазмы либо во временной форме пучка может происходить эффективное возбуждение плазменной волны, захват и ускорение пучков электронов до энергий порядка 1 МэВ. (V. Eremin, Yu. Malkov,V. Korolikhin,A. Kiselev, S. Skobelev, N. Andreev, A. Stepanov, "Study of the plasma wave excited by intense femtosecond laser pulses in a dielectric capillary", Physics of Plasmas, 19, 093121 (2012)).

Проект 3.3. Лазерно-плазменное ускорение электронов в металлических и диэлектрических капиллярах (С.Н. Багаев, ИЛФ СО РАН, Н.С. Диканский, ИЯФ СО РАН) Проведено теоретическое обоснование новой схемы каналирования драйвера для лазерплазменного кильватерного ускорения. Показано, что при контрасте лучше 106 возможен ввод до 85% энергии лазерного импульса в основную моду узкого круглого металлического капилляра, обладающую малым коэффициентом затухания (0.02 см-1 для медного капилляра радиуса 15 мкм). При экспериментальной реализации кильватерного ускорения в таком капилляре возможно достичь энергии электронов более 1 ГэВ при энергии драйвера 300 мДж и длительности 50 фсек. Разработана высокоточная 2d3v-модель плазмы и 2d3v-модель ускоряемых заряженных частиц с автоматическим уменьшением шага по времени при низкой энергии частиц для численного моделирования процесса лазерно-плазменного кильватерного ускорения электронов. Аналитически найден оптимальный угол для сторонней инжекции электронов в линейную кильватерную волну. Спроектирована экспериментальная установка, разработаны схемы повышения контраста фемтосекудных импульсов и активной угловой стабилизации излучения мультитераваттной фемтосекундной лазерной системы, подготовлена элементная база исследований каналирования мощного лазерного импульса в металлическом капилляре с формированием кильватерной волны для лазерно-плазменного ускорения электронов. (1. K.V.Lotov, Optimum angle for side injection of electrons into linear plasma wakefields, J. Plasma Phys. 78(4), 455-459 (2012); 2. А.Г. Полещук, А.Г. Седухин, В.Н. Хомутов, Р.В. Шиманский, В.И. Трунов, С.А. Фролов, "Локализованный сеточный контроль волновых фронтов мощных лазерных систем", Сборник трудов VII Международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики – 2012". Санкт-Петербург. 15-19 октября 2012 / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова.– СПб: НИУИТМО, 2012– 571 с.: с ил. с. 435) Проект 3.4. Лазерно-плазменное ускорение ультрарелятивистских частиц и генерация рентгеновского излучения (Н.Е. Андреев, ОИВТ РАН) Построена модель генерации характеристического рентгеновского излучения в фольге при условии захвата и рециркуляции горячих электронов. Показано, что выход K излучения увеличивается с ростом интенсивности петаваттного лазерного импульса и уменьшением толщины фольги. Предложен метод экспериментального исследования эффекта рециркуляции электронов, который значительно увеличивает выход K – излучения.

Изучен режим лазерно-плазменного ускорения электронов, который позволяет получать сгустки ультрарелятивистских электронов с малым разбросом по энергии. Найдены условия инжекции электронов в кильватерное поле, при которых этот режим реализуется за счет эффекта группировки электронов в энергетическом пространстве в процессе их ускорения.

(С.В. Кузнецов, "Ускорение немоноэнергетических электронных сгустков, инжектированных в кильватерную волну", ЖЭТФ, 2012, Т. 142, Вып.1, С. 190-204).

Проект 3.5. Новые методы ускорения заряженных частиц, трансмутации ядер и генерации сверхкоротких электромагнитных импульсов в сверхсильных световых полях, а также диагностики таких полей (В.В. Коробкин, М.Ю. Романовский, ИОФ РАН) 1. Предложена новая концепция ускорения электронов в поле стоячих волн, создаваемых при интерференции нескольких распространяющихся в одной плоскости лазерных пучков, у которых амплитудные и фазовые фронты наклонены относительно друг друга на угол 45о. При такой интерференции образуются двумерные ловушки заряженных частиц, перемещающиеся в пространстве перпендикулярно направлению волновых векторов этих пучков со скоростью света. Захваченные в ловушки электроны ускоряются до большой энергии с формированием сильно сжатых сгустков с размерами много меньше длины волны лазерного излучения. 2. Показано, что интенсивное лазерное излучение приводит к значительному увеличению скорости захвата атомных электронов ядрами. (V.V. Korobkin, M.Yu. Romanovsky, V.A. Trofimov, O.B. Shiryaev, "Concept of generation of extremely compressed high-energy electron bunches in several interfering intense laser pulses with tilted amplitude fronts", Laser and Particle Beams, (2012)).

НАПРАВЛЕНИЕ 4. ФИЗИКА И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ

ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕРХСИЛЬНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Проект 4.1. Исследования упругопластических и прочностных свойств, образования наноструктур в объёме поверхностного слоя металлов и полупроводников под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов (М.Б. Агранат, ОИВТ РАН) Разработана фемтосекундная интерферометрическая методика измерений динамики деформации поверхностного слоя при однократном воздействии на мишень с использованием пробного чирпированного импульса. Данная методика обеспечивает непрерывную регистрацию величины смещения поверхности образца от времени в интервале 0250 пс с временным разрешением до 2 пс. С помощью этой методики проведены измерения динамики деформации и откольной прочности на тыльной свободной поверхности алюминиевой мишени. Проведены измерения порога абляции и динамики деформации поверхности тантала.

Оценена величина прочности жидкой фазы тантала вблизи абляционного порога под воздействием ФЛИ при рекордной скорости деформации ~109 с-1. (С.И. Ашитков, Н.А. Иногамов, В.В. Жаховский, Ю.Н. Эмиров, М.Б. Агранат, И.И. Олейник, С.И. Анисимов, В.Е. Фортов, "Образование нанополостей в поверхностном слое алюминиевой мишени при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов", Письма в ЖЭТФ, т.95, № 4, с 192 – 197, (2012)).

Проект 4.2. Создание филаментов, абляция и наномасштабная фокусировка поверхностных электромагнитных полей под действием мощных субпикосекундных импульсов УФ-, видимого и ИК-излучения (А.А. Ионин, ФИАН) При помощи гибридной Ti:Sa/KrF лазерной системы исследована множественная филаментация УФ лазерного излучения с пиковой мощностью 0.5 ТВт при фокусировке пучка на трассе длиной ~100 м. Экспериментально продемонстрированы преимущества цуга субтераваттных субпикосекундных УФ лазерных импульсов для управления высоковольтными электрическими разрядами в атмосфере. В экспериментах по исследованию распределения электронной плотности плазмы вдоль плазменного канала, образующегося под воздействием сфокусированного лазерного излучения на трех длинах волн, продемонстрировано существование плазмы за геометрическим фокусом. Эксперименты по влиянию сферических аберраций, вносимых адаптивной оптикой, на режимы филаментации излучения показали, что они приводят к удлинению плазменного канала. Экспериментально продемонстрировано влияние формы апертурной диафрагмы на размеры и положение области филаментации лазерного излучения в воздухе. Проанализировано явление фокусировки интенсивной поверхностной электромагнитной волны плазмонной нанолинзой при радиальном распространении волны на поверхности алюминия в режиме самовоздействия, и показана возможность существенного увеличения ее интенсивности в фокусе. Экспериментально исследованы механизмы фемтосекундной лазерной абляции поверхности материалов, лежащие в основе процессов структурирования их поверхности (создания плазмонных нанолинз). (A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, A.O. Levchenko, L.V. Seleznev, A.V. Shutov, D.V. Sinitsyn, I.V. Smetanin, N.N. Ustinovsky, V.D. Zvorykin, "Triggering and guiding electric discharge by a train of UV picosecond pulses combined with a long UV pulse", Appl. Phys. Lett., 100, 104105 (2012)).

Проект 4.3. Исследование физических свойств вещества в экстремальных условиях на тераватной установке "Камертон-Т" (П.П. Пашинин, И.К. Красюк, ИОФ РАН, ИФТТ РАН) Получены новые экспериментальныe данные о механической прочности мишеней из Al, сплава АМг6М, ПММА, Ta, W, Cu, Pd, C, Si и Pb при воздействии на них лазерным излучением длительностью 70 пс. Для определения момента времени откола разработан и реализован электроконтактный метод измерения скорости откольного слоя. Полученные результаты показали, что величины откольных прочностей исследованных материалов при умеренных амплитудах ударно-волнового воздействия находятся в соответствии с известными из литературы данными. При больших давлениях наблюдается рост откольной прочности, что указывает на упрочнение материала. Подтвержден вывод о том, что динамическая прочность вещества зависит как от амплитуды, так и длительности ударно-волнового воздействия на мишень. (С.А. Абросимов, А.П. Бажулин, В.В. Воронов, И.К. Красюк, П.П. Пашинин, А.Ю. Семенов, И.А. Стучебрюхов, К.В. Хищенко, "Исследование механических свойств алюминия, сплава АМг6М и полиметилметакрилата при высоких скоростях деформирования под действием лазерного излучения пикосекундной длительности", ДАН, 2012, том 442, № 6, стр. 752 – 754).

Проект 4.4. Комплексные экспериментальные исследования динамики ультрабыстрых процессов в конденсированных и газовых средах при воздействии сверхсильных фемтосекундных полей оптического и ИК диапазона (С.В. Чекалин, ИСАН) Впервые экспериментально зарегистрировано недавно предсказанное дифракционное деление 110 фс оптического импульса при Лауэ дифракции в многослойной (375 слоев) структуре из окисленного пористого кремния с толщиной слоя порядка длины волны лазера (800 нм) и разностью показателей преломления соседних слоев n ~ 0.2 (одномерном фотонном кристалле). Эффект наблюдался как в проходящем, так и в дифрагированном пучке только при точном выполнении условия Брэгга ( = B = 31°). Анализ автокорреляционных функций излучения подтвердил эффект деления, а также линейную зависимость интервала между выходящими из фотонного кристалла импульсами (порядка сотен фс) от его толщины, в полном соответствии с теоретическими оценками. (S.E. Svyakhovskiy, V.O. Kompanets, A.I. Maydykovskiy, T.V. Murzina, A.А. Skorynin, V.A. Bushuev, S.V. Chekalin, and B.I. Mantsyzov, "Observation of the temporal Bragg diffraction-induced laser pulse splitting in a linear photonic crystal", Phys. Rev. A 86, 013843 (2012)).

Проект 4.5. Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные импульсы в диагностике твердотельной и газовой плазмы: терагерцовая нелинейная спектроскопия полупроводников и исследование кинетических процессов в лазерной плазме (А.Н. Степанов, ИПФ РАН, С.В. Гарнов, ИОФ РАН) С использованием сэндвич-структуры, состоящей из 30 мкм слоя ниобата лития, кремниевой призмы и металлической подложки с варьируемым воздушным зазором, достигнута рекордная эффективность конверсии (~ 0.25%) излучения фс лазера в широкополосное ТГц излучение. Продемонстрирована возможность перестройки ТГц спектра путем изменения ширины воздушного зазора. Впервые экспериментально исследована генерация ТГц излучения при пробое воздуха двухчастотным лазерным излучением с мощной высокочастотной волной (800 нм) слабой низкочастотной (1600 нм). Измерены зависимости средней мощности терагерцового излучения от энергии импульсов волн накачки, а также поворота плоскости поляризации и, впервые, частотной отстройки низкочастотной волны накачки. Методом оптической интерферометрии и рассеяния терагерцового излучения исследована динамика распада плазменного филамента в воздухе, азоте и аргоне на временах до 8 нс при различных давлениях. Показано, что при уменьшении давления распад плазмы замедляется, при этом начальная концентрация плазмы почти не изменяется вплоть до давления несколько Торр и составляет ~ 1017 смS.B. Bodrov, D.I. Kulagin, Yu.A. Malkov, A.A. Murzanev, A.I. Smirnov and A.N. Stepanov, "Initiation and channelling of a microwave discharge by a plasma filament created in atmospheric air by an intense femtosecond laser pulse", J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. V. 45. P. 045202.) Выполнены эксперименты по исследованию кинетических процессов в лазерной плазме, а именно динамики распада плазменного канала филамента при атмосферном давлении в следующих газах: N2, Ar, воздухе. С помощью метода лазерной интерферометрии получены значения электронной плотности в плазменном канале филамента в диапазоне задержек 0пс от момента ионизации. Получены изображения плазменного канала, профили фазовой добавки и соответствующие им профили электронной плотности плазменного канала в воздухе и аргоне. (V.V. Bukin, S.V. Garnov, "Pump-probeinterferometryfordiagnosticsof femtosecond laser plasma in gases", 30th International Congress on High-Speed Imaging and Photonics, Book of Abstracts, p.41 (2012).) Проект 4.6. Распространение высокоэнергетического фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере (Г.Г. Матвиенко, ИОА СО РАН) В лабораторных условиях с использованием остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения с длинами волн 0.4; 0.8 мкм установлено, что продольный размер плазменных филаментов зависит от квадратного корня от пиковой интенсивности пучка и инвариантен относительно радиуса пучка. В натурных и лабораторных экспериментах обнаружено наличие бесплазменных световых каналов с расходимостью, меньшей расходимости пучка в целом. На основе численных экспериментов, использующих различные модели нелинейной среды, изучена зависимость длины филамента и его сплошности от радиуса коллимированного пучка. Установлен новый класс энергетических структур в физике нелинейных волн – дифракционно-лучевые трубки в самофокусирующей, диссипативной среде. Их взаимодействия вдоль дистанции распространения мощного света формируют устойчивые по физическим характеристикам области локализации световой энергии: плазменный филамент, постфиламентационный световой канал. Разработан алгоритм решения обратной задачи по восстановлению конфигураций филаментов вдоль трассы. (Y.E. Geints, A.D. Bulygin, A.A. Zemlyanov, "Model description of intense ultra-short laser pulse filamentation: multiple foci and diffraction rays", Applied Physics B. 2012. V. 107. Is. 1. P. 243-255).

Проект 4.7. Состояние и трансформация структуры вещества в объеме прозрачных материалов при локальном воздействии экстремального светового поля (В.И. Конов, ИОФ РАН) В проекте изучаются обратимые и необратимые процессы в твердом теле (кремний, алмаз, плавленный кварц), инициируемые при воздействии мощного лазерного импульса ( нм и 1200 нм). Для наблюдения за состоянием вещества в зоне облучения использовалась фс интерферометрия, позволяющая измерять локальное изменение показателя преломления среды. Экспериментально исследована динамика процессов с существенно разной временной шкалой: (i) возбуждение электронной подсистемы; (ii) релаксационные процессы в среде и (iii) перманентная модификация матрицы стекла. Показано, что экспериментальные данные по динамике фотогенерации носителей в алмазе и кремнии, находятся в удовлетворительном соответствии с результатами численного моделирования, основанном на келдышевском описании нелинейной ионизации. Продемонстрировано, что кроме концентрации носителей, используемая экспериментальная методика, позволяет измерять температуру и давление в зоне облучения. Получены количественные данные по динамике перманентной модификации кварцевого стекла в зависимости от условий облучения, проведено сопоставление пространственных картин локализации модифицированной области и наведенных в стекле короткоживущих дефектов ( раз) сжатию 10-20 кэВ пикосекундных фотоэлектронных пучков, проведено прецизионное компьютерное моделирование и выявлены потенциальные возможности дальнейшего сокращения фотоэлектронных сгустков на базе имеющихся аппаратных средств. Показано, что длительность фотоэлектронных импульсов может быть менее 200 фс при использовании модернизированного гибридного устройства "ЭОП – фотоэлектронная пушка" за счет повышения крутизны импульсов динамической фокусировки (> 2.5·1012 В/с), увеличения напряженности поля у фотокатода (>3 кВ/мм) и подачи на фотокатод субпикосекундных лазерных импульсов. (М.Я. Щелев, "Пико-фемто-аттосекундная фотоэлектроника", УФН, т.122, №6, 649-656, (2012)).

НАПРАВЛЕНИЕ 6. НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТНАЯ

БАЗА ДЛЯ ЛАЗЕРОВ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Проект 6.1. Создание керамических активных элементов для мощных твердотельных лазеров (В.Б. Кравченко, Ю.Л. Копылов, ФИРЭ РАН) 1. Разработана методика получения неагломерированных нанопорошков оксида иттрия Y2O3, в том числе легированных La, Nd и Yb, со сферической формой диаметром 80-400 нм.

На основе таких порошков шликерным методом получены керамики с пропусканием более 83% в области 1 мкм; 2. С использованием лазерно-распыленных порошков, методики магнитоимпульсного компактирования и холодного изостатического прессования совместно с ИЭФ УрО РАН получены образцы керамики оксида иттрия-лантана с иттербием лазерного качества размером до 18х2,5 мм, с пропусканием до 83% в области 1 мкм. Образцы переданы для испытаний в ИЛФ СО РАН и ИПФ РАН; 3. Используя ряд коммерческих нанопорошков оксида алюминия в смеси со сферическими нанопорошками Y2O3,, получены керамики иттрий-алюминиевого граната ИАГ с Nd и Yb лазерного качества размером до 26х3 мм с пропусканием до 84.5% на 1 микроне. (S.N. Bagayev, A.A. Kaminskii, Yu.L. Kopylov, I.M. Kotelyanskii, V.B. Kravchenko, "Simple method to join YAG ceramics and crystals", Optical Materials, 34 (2012) 951–954).

Проект 6.2. Разработка технологии синтеза высокопрозрачных керамик для мощных лазерных систем (В.В. Осипов, ИЭФ УрО РАН) В Институте электрофизики УрО РАН предложена и синтезирована высокопрозрачная керамика с разупорядоченной кристаллической структурой нового состава [(YbxLuyY1-x-y)2O3]a(ZrO2)b, где x + y < 1, a + b = 1, в которой ширина спектральной линии на уровне 0.4 интенсивности лазерного перехода 2F5/2 2F7/2 иона Yb3+ достигает 60 нм, а светопропускание диска толщиной 1.6 мм на длине волны 1.06 мкм составляет 80.57%. При ее использовании в качестве активной среды в Институте лазерной физики СО РАН получена генерация излучения на длине волны 1.03 мкм с дифференциальной эффективностью 29.2%.

(S.N. Bagaev, V.V. Osipov, V.A. Shitov, E.V. Pestryakov, V.S. Kijko, R.N. Maksimov, K.E.

Lulyashin, A.N. Orlov, K.V. Polyakov, V.V. Petrov, "Fabrication and optical properties of Y2O3 – based ceramics with broad emission bandwidth", J. of the European Ceramic Society, V. 32, P. 4257-4262 (2012)).

Проект 6.3. Создание оксидных керамических лазерных элементов с использованием микроволнового нагрева (С.В. Егоров, ИПФ РАН, Е.М. Гаврищук, ИХВВ РАН) Установлено влияние добавки оксида лантана на светопропускание керамики оксида иттрия в области концентраций La2O3 от 0 до 17.5 мол.%. Показано, что лучшие оптические свойства имеют образцы, содержащие 10 мол.% оксида лантана. Исследовано влияние параметров прессования на микроструктуру компактов Yb, La:Y2O3. Прессованием порошков с 2.5 масс.% стеариновой кислоты получены образцы с однородным распределением плотности по объёму компакта. Оптимизированы режимы спекания полученных образцов при СВЧнагреве, исследованы их оптические свойства. Показана корреляция однородности структуры компакта и светопропускания керамики. На полученных образцах керамики состава Yb0.05(La0.1Y0.9)2O3. продемонстрирована лазерная генерация на длине волны 1.03 мкм. Модифицированным методом золь-гель проведён синтез порошков YAG и получены образцы полупрозрачной керамики. Методом лазерной сублимации синтезированы нанопорошки Yb,La:Y2O3, на их основе получены образцы оптической керамики. (S.S. Balabanov, Yu.V. Bykov, S.V. Egorov, A.G. Eremeev, E.M. Gavrishchuk, E.A. Khazanov, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, D.A. Permin, V.V. Zelenogorsky, "Transparent Yb:(YLa)2O3 ceramic by selfpropagating high temperature synthesis (SHS) and microwave sintering", Optical materials, http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2012.09.010).

Проект 6.4. Поисковые фундаментальные исследования новых лазер-активных и нелинейных кристаллических материалов (монокристаллов и керамик) для лазеров с экстремальными генерационными параметрами (А.А. Каминский, ИК РАН) В 2012 году по проекту были проведены комплексные исследования лазерных керамик на основе кубических оксидов (алюминиевых гранатов, а также Y2O3, Lu2O3, Sc2O3 и др.).

Совместно с партнерами по программе (ИРЭ и ИПФ РАН), были получены новые знания об их "тонкой" кристаллической структуре и некоторых "ключевых" физических свойствах, которые позволили коллегам из ИРЭ РАН улучшить методы получения отечественных (РАНовских) лазерных керамик. Определен дополнительный лазерный потенциал иттербиевых керамик, в частности впервые была продемонстрирована эффективная работа керамических дисковых Yb3+:Y2O3 лазеров непрерывного действия и импульсного с модулированной добротностью [1]. Также впервые был разработан керамический Yb3+:Y3Al5O12 чип-лазер. Поисковые исследования новых ВКР-активных кристаллов увенчались успехом обнаружения стоксовой и анти-стоксовой генерации высокого порядка в (NH2CHOOH)2, NHO3, CaYAlO4 и Gd0.5Lu0.5VO4. В этих кристаллах также обнаружено проявление ряда новых (3)-нелинейных фотон-фононных эффектов и способность генерировать октавной ширины стоксовы и антистоксовы "лазерные гребенки" (combs). На основе полученных результатов в 2012 г. опубликовано 12 статей и сделано несколько докладов на отечественных и международных конференциях. (М. Tokurakawa, A. Shirakawa, К. Ueda, T. Yanagitany, К. Beil, С. Krankel, G. Huber, and A.A. Kaminskii, "Continous wave and mode-locked Yb3+:Y2O3 ceramic thin disk laser", Opt.

Express 20, №9, 10847 (2012)).

Проект 6.5. Исследование диэлектрических, теплофизических и акустических потерь в материалах на основе твердых растворов YAG:Re (Е.Н. Хазанов, ФИРЭ РАН) Сформулированы требования к структуре оптически прозрачной керамики на основе Y3Al5O12:Nd3+ с целью оптимизации (улучшения) теплофизических, акустических и лазерных характеристик материала. Получены результаты измерений диэлектрических потерь в твердых растворах (Y1-cLuc)3Al5O12 (YAG:Lu) c = 0 – 1 в субмиллиметровом диапазоне частот.

Проанализирована природа собственных диэлектрических потерь и их связь с поглощением акустических волн и упорядочением кристаллической структуры. (Б.М. Гарин, И.П. Никитин, А.В. Таранов, Е.Н. Хазанов, "Корреляция между диэлектрическими потерями в субмиллиметровом диапазоне и поглощением акустических волн в твердых растворах YAG:Lu", Радиотехника 2012г. (в печати)).

Проект 6.6. Разработка элементной базы лазерных систем с экстремальными параметрами на основе оптических нанокерамик (С.М. Ватник, ИЛФ СО РАН) В соответствии с планом работ на 2012 г. разработан и изготовлен базовый модуль накачки с непрерывной выходной мощностью до 100 Вт на длине волны 808 нм. Экспериментально показана возможность фокусировки излучения на выходе модуля в пятно диаметром 1.0 мм с числовой апертурой NA = 0.18, что позволяет легко организовать волоконную доставку излучения к активным элементам из лазерной нанокерамики. Продолжаются работы по исследованию генерационных характеристик нанокерамик иттрий-алюминиевого граната, активированного неодимом, в том числе стабильности оптический покрытий и металлизации на керамиках под воздействием излучения накачки и лазерной генерации с совокупной плотностью световой мощности на уровне 5…50 кВт/см2. (S.N. Bagayev, V.V. Osipov, V.I. Solomonov, V.A. Shitov, R.N. Maksimov, K.E. Lukyashin, S.M. Vatnik, I.A. Vedin, "Fabrication of Nd3+:YAG laser ceramics with various approaches", Optical Materials, V. 34, 1482-1487 (2012)).

Проект 6.7. Широкоапертурные нелинейно-оптические элементы из водорастворимых кристаллов KDP и DKDP для управления параметрами лазерных комплексов петаваттного и экзаваттного уровня мощности (В.В. Ложкарев, ИПФ РАН) Проект направлен на развитие уникальной отечественной технологии изготовления широкоапертурных нелинейно-оптических элементов, являющихся ключевыми оптическими компонентами для достижения мультипетаваттного уровня мощности. В рамках проекта был выращен опытный образец высокодейтерированного кристалла DKDP высокой оптической однородности; на основе корреляционного анализа поверхности растущей грани и тенеграмм выдвинуто предположение о причинах образования оптической неоднородности кристаллов;

создана автоматизированная система управления динамикой, позволяющая обеспечить оптимальные параметры и однородность питания для кинетического режима роста; достигнуты определенные успехи в нанесении просветления (золь-геля) на KDP. ((I.M. Pritula, A.V. Kosinova, D.A. Vorontsov, M.I. Kolybaeva, O.N. Bezkrovnaya, V.F. Tkachenko, O.M. Vovk, E.V. Grishina, "Peculiarities of the growth of KDP single crystals with incorporated aluminium oxyhydroxide nanoparticles", J. Crystal Growth, 355, 2632, 2012).) Проект 6.8. Большеразмерные нелинейно-оптические кристаллы группы боратов для параметрических каскадов усиления петаваттных и мультипетаваттных лазерных систем (А.Е. Кох, ИГМ СО РАН, В.И. Трунов, ИЛФ СО РАН) С целью расширения возможностей управления ростовым процессом была разработана и изготовлена установка для выращивания кристаллов LBO, состоящая из трех нагревательных зон по вертикали, две из которых, в свою очередь, разбиты на 8 нагревательных элементов каждая. Выращены высококачественные кристаллы LBO с возможностью изготовления из них элементов с диаметром апертуры более 50 мм. На основании полученных данных предполагается создание ростовой установки для получения более крупных кристаллов LBO.

Исследованы фазовые диаграммы с целью оптимизации состава растворителя для выращивания кристаллов ВВО. Проведено комплексное исследование разреза BaB2O4 -Ba2Na3[B3O6]2F, принадлежащего к тройной взаимной системе Ba, Na // BO2, F (BaB2O4-(NaBO2)2-(NaF)2-BaF2).

Показана пригодность данной системы для выращивания объемных кристаллов -BaB2O4.

(A. Kokh, V. Vlezko, K. Kokh, N. Kononova, Ph. Villeval, D. Lupinski, "Dynamic control over the heat field during LBO crystal growth by high temperature solution method", J. Crystal Growth, vol.

360, 2012, pp. 158-161; S.N. Bagaev, V.I. Trunov, S.A. Frolov, E.V. Pestryakov, V.E. Leschenko, A.E. Kokh, V.A. Vasiliev, "Coherent combining of parametrically amplified femtosecond pulses, XV International conference on Laser Optics", LO-2012, St. Petersburg, Russia, June 25-29, 2012, Technical program, TuR1-07, p.16; Summaries LO-2012 (СD) paper: r5_0481_Trunov).

Проект 6.9. Новые волоконно-оптические задающие генераторы предельно коротких лазерных импульсов с перестройкой по длине волны в ближнем и среднем ИК-диапазоне (С.В. Муравьев, ИПФ РАН, М.Е. Лихачев, НЦВО РАН) Экспериментально получена генерация фемтосекундных лазерных импульсов с плавной перестройкой по длине волны в полосе усиления тулиевого волоконного усилителя (1.8 – 2.1 мкм) в полностью волоконной системе. Энергия лазерных импульсов на выходе тулиевого усилителя достигала величины 56 нДж при частоте повторения импульсов 5 МГц.

Разработан волоконно-оптический источник фемтосекундных импульсов в диапазоне длин волн 0.9 – 1.1 мкм, который может быть использован в качестве задающего генератора для мощных волоконных и параметрических систем. Диагностика коротких импульсов осуществлена методом оптического стробирования со спектральным разрешением (FROG).

(D.A. Gaponov, L.V. Kotov, M.E. Likhachev, M.M. Bubnov, A. Cabasse, J.-L. Oudar, S. Fevrier, D.S. Lipatov, N.N. Vechkanov, A.N. Guryanov, and G. Martel, "High power all-fibered femtosecond master oscillator power amplifier at 1.56 µm," Opt. Lett. 37, 3186-3188 (2012); E.A. Anashkina, A.V. Andrianov, M.Yu. Koptev, V.M. Mashinsky, S.V. Muravyev, and A.V. Kim, "Generating tunable optical pulses over the ultrabroad range of 1.6-2.5 µm in GeO2 -doped silica fibers with an Er:fiber laser source", Optics Express, 19 November 2012 / Vol. 20, No. 24 / OPTICS EXPRESS 27102Проект 6.10. Времяразрешённая спектроскопия и оптическая диагностика полупроводниковых материалов для источников ближнего и дальнего ИК диапазонов (З.Ф. Красильник, ИФМ РАН) Проведено исследование спектрокинетических свойств гетероструктур с двойной квантовой ямой InGaAs/GaAsSb/GaAs, выращеных методом газофазной эпитаксии из металлорганических источников. Показано, что энергия основного перехода немонотонно зависит от концентрации неравновесных носителей. Проведён цикл исследований спектров и кинетики релаксации межзонной ФЛ в ближнем ИК диапазоне гетероструктур GaAs/AlGaAs ККЛ терагерцового диапазона. Измерение кинетики ФЛ, проводилось как для переходов между основными, так и между возбужденными электронными уровнями, что дает возможность наблюдать особенности на кривых сигнала ФЛ, связанные с люминесценцией при переходах между возбуждёнными состояниями в КЯ. (С.В. Морозов, Д.И. Крыжков, В.И. Гавриленко, А.Н. Яблонский, Д.И. Курицын, Д.М. Гапонова, Ю.Г. Садофьев, Б.Н. Звонков, О.В. Вихрова, "Определение оптическими методами типа гетероперехода в структурах с квантовыми ямами GaAsSb/GaAs с различной долей сурьмы", ФТП, 46, 11, 1402 (2012)).

Проект 6.11. Сверхсильные локальные оптические поля для времяразрешенной спектроскопии и нанолитографии (Ю.Е. Лозовик, ИСАН) Изучены фемтосекундные оптические отклики и коллективные возбуждения в графене и новых структурах на основе топологических изоляторов. Предсказан резонансно усиленный киральными экситонами эффект Фарадея в топологическом изоляторе. Изучены плазмонные поляритоны в графене и топологическом изоляторе, в том числе помещенных в оптическую микрополость. Разработан оптимальный дизайн плазмонных сенсоров. Исследованы вихревые состояния в связанных конденсатах фотонов в оптической полости и экситонов.

Рассмотрена турбулентность в системе дипольных экситонов при лазерной накачке и утечке.

(N.S. Voronova, Yu.E. Lozovik, Phys. Rev. B 86, 195305 (2012)).