ЛАЗЕРНЫЕ РЕКОРДЫ

 …В школьные годы Владимиру Осипову легко давались точные науки, физика и математика, поэтому он поступил в Томский политехнический институт (ныне университет) на физико-технический факультет, в то время самый престижный. После его окончания Осипова распределили в Институт ядерной физики при ТПИ, где в 1968 г. он поступил в аспирантуру и стал заниматься физикой газового разряда. Вот что рассказал об этом периоде своей работы Владимир Васильевич:

— Газовый разряд — это процесс, возникающий при прохождении электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Тогда исследования в этом направлении были очень актуальными, ими занимались многие зарубежные ученые. Мне удалось получить объемный газовый разряд (в то время мы называли его тлеющим разрядом высокого давления) длительностью порядка сотни наносекунд в безыскровом виде. Мы его инициировали излучением вспомогательного газового разряда, скользящего по поверхности диэлектрика.

Я исследовал временные, энергетические характеристики, электронную температуру объемного газового разряда и доложил свои результаты в Сибирском физико-техническом институте при Томском госуниверситете, где впервые в Сибири был создан гелий-неоновый лазер. Коллеги сказали, что такого не может быть, потому что этот разряд очень уж сильно отличался от известного тогда тлеющего разряда. Однако вскоре я получил приглашение от Геннадия Андреевича Месяца, в то время зам. директора Института оптики атмосферы СО АН СССР, перейти в лабораторию квантовой электроники отдела сильноточной электроники, которую возглавлял кандидат технических наук Ю.И. Бычков. Мне предложили на основе объемного газового разряда создать импульсный СО₂ лазер высокого давления. Шел третий год аспирантуры, но вместо того, чтобы закончить диссертацию по своей тематике, я занялся этой работой. Только через три года мне удалось создать импульсный СО₂ лазер с удельными характеристиками, превосходящими зарубежные аналоги.

В то время будущий академик Г.А. Месяц создавал Институт сильноточной электроники, ему нужны были квалифицированные специалисты, молодые кандидаты наук. Вот он и предложил четверым перспективным молодым ученым, в том числе мне, представить диссертации в течение месяца. Срок этот казался нереальным. И все же я стал одним из тех двоих, кто это условие выполнил. Работу я писал после окончания трудового дня, с 8 вечера по 2 часов ночи.

В Институте сильноточной электроники СО РАН В.В. Осипова назначили руководителем группы. Под его руководством была разработана математическая модель, созданы лазеры и усилители со сжатой СО₂ средой и перестраиваемым спектром излучения, параметры которых до сих пор остаются непревзойденными. Была экспериментально обоснована химико-ионизационная неустойчивость объемного разряда, и на ее основе создана численная модель прорастания канала. Владимир Васильевич предложил ряд методов, благодаря которым удалось существенно повысить энергетику молекулярных лазеров.

В.В. Осипов и его коллеги разработали более 30 модификаций импульсных лазеров, которые нашли применение в оборонной отрасли, авиационной промышленности, здравоохранении и в сфере образования. Так, под его научным руководством была создана СО₂ лазерная система специального назначения с энергией в импульсе с 5 кДж и частотой следования импульсов 10 Гц, впервые в нашей стране на основе СО₂ лазера был разработан миниатюрный дальномер для специального применения.

Многое было сделано в те годы. Например, В.В. Осипов и его коллеги предложили использовать полупроводниковые микролазеры, возбуждаемые электронным пучком, для накачки другой лазерного среды, в частности красителя. Эту идею высоко оценил академик Александр Михайлович Прохоров. По существу это была одна из первых работ по «полупроводниковой накачке».

Переезд в Екатеринбург в составе знаменитого «томского десанта» сибирских ученых, приглашенных Г.А. Месяцем в создаваемый им Институт электрофизики, стал новой страницей в работе и жизни Владимира Васильевича.

— Поначалу нет. Здесь мы продолжили работу над улучшением энергетики газовых СО₂ лазеров. Появилась идея увеличить энергию, вводимую в газ при разряде, за счет использования высокоэмиссионных электродов. Профессор А.Н. Петров из Уральского государственного университета предоставил нам материал для таких электродов, и мы сразу получили удивительный результат — удельную энергию, введенную в газ, 1,35 Дж/см³, что в полтора раза превышало наилучшие известные результаты. Правда, оказалось, что такая энергия не требуется. Однако это позволило нам определить предельную удельную энергию, которая необходима для эффективной работы лазера 1 Дж/см³, при этом удельная излучаемая энергия достигла рекордной величины 86 Дж/л. Благодаря повышению устойчивости объемного разряда за счет использования высокоэмиссионных электродов удалось увеличить долговечность работы лазера до рекордной тогда цифры — 5 миллионов включений в отпаянном режиме (т.е. без замены газа).

Тогда же впервые был создан СО₂ лазер, накачиваемый предложенным нами комбинированным разрядом, в котором плазма создается кратковременным самостоятельным разрядом, а основная доля энергии вводится в газ на стадии несамостоятельного разряда. Этот лазер работает до сих пор.

Если говорить о фундаментальных результатах, то мы в то время разработали теорию формирования объемного газового разряда и определили необходимые условия его зажигания. В общем, без ложной скромности, на тот момент мы были действительно специалистами высокого уровня в области физики газового разряда. Но Академия наук перестала поддерживать это направление, прекратилось и финансирование предприятий, где создавались газовые лазеры.

— Все достаточно просто. Твердотельные лазеры оказались более компактными и эффективными. Хотя кое в чем газовые лазеры все-таки их превосходят — у СО₂ лазеров более когерентное излучение, оно распространяется на большие расстояния. Кстати, в этом году по старой памяти одна соседняя организация предложила нам создать лазер, работающий на атмосферном воздухе с добавками СО₂, т.е. создать новую разновидность таких лазеров. Используя старые знания, мы сделали такой лазер с пиковой мощностью до 8 МВт, длительностью импульса на полувысоте 50 нс и частотой до 30Гц. Но тогда, в середине 90-х гг., надо было искать новое направление.

— Мы стали изготавливать с помощью наших лазеров нанопорошки. И это сразу стало у нас получаться, была создана установка. Оказалось, что в этой области много нерешенных научных проблем. Необходимо было понять, какие процессы идут в лазерном факеле, исследовать характеристики наночастиц. Научившись получать нанопорошки со средним размером частиц 10 нм самого разного состава, мы стали думать, где их применять. В результате разработали новую технологию приготовления лазерных керамик, в которой благодаря использованию таких порошков температура синтеза снизилась на 700 градусов. Сейчас продолжаем работать над созданием модели лазерного факела, основанной на вихреобразовании, и теории испарения прозрачных мишеней с интенсивностью меньшей порога повреждения материала.

Через получение высокопрозрачных керамик — активных сред твердотельных лазеров — мы на самом деле вернулись к прежнему направлению исследований — квантовой электронике.

Благодаря работам члена-корреспондента В.В. Осипова и его группы Институт электрофизики УрО РАН стал одной из лидирующих отечественных организаций в области создания лазерных керамик. По сути, это стало новым научным направлением в изучении конденсированных сред, включая получение нанопорошков, их компактирование, спекание и получение высокопрозрачных керамик. В этом направлении достигнуты неплохие результаты: разработан высокоэффективный метод лазерного синтеза слабоагломерированнных наноразмерных порошков с узким распределением частиц по размерам и средним размером частиц 10 нм, созданы оригинальные методики их прессования и спекания. Для характеризации нанопорошков, компактов и керамических образцов созданы новые методики на основе импульсной катодо- и фотолюминесценции, абсорбционного спектрального анализа. Совместно с Институтом лазерной физики Сибирского отделения РАН впервые в нашей стране вслед за Японией на образцах NdY₂O₃ и HoYAG керамик была получена генерация, эффективность которой достигала 40%.

 Совместно с Национальным институтом оптики (Италия, г. Флоренция) в разупорядоченной керамике на основе оксида иттрия, допированного иттербием и цирконием, впервые достигнуты дифференциальная эффективность 51,2% и рекордный для керамических лазеров, генерирующих в ближней ИК области, диапазон плавной перестройки длины волны излучения 100 нм.

Уральским электрофизикам стали поступать предложения от таких крупных предприятий, как НТО «ИРЭ-ПОЛЮС», входящего в международную группу компаний IPG Photonics Corporation — мирового лидера в индустрии волоконных лазеров большой мощности, а также ряда отраслевых предприятий.

Напоследок я задала Владимиру Васильевичу вопрос:

— Ж. Муру и Д. Стрикланд премия присуждена за то, что они нашли метод эффективного усиления фемтосекундных импульсов излучения в твердотельной активной среде. Электронный уровень, на котором запасена энергия, содержит ряд колебательных подуровней, время обмена между которыми конечно. Поэтому для того, чтобы снять энергию со всего электронного состояния, необходимо использовать импульсы более длительные, чем время обмена между колебательными подуровнями. Лауреаты предложили увеличить длительность усиливаемых пикосекундных импульсов в световодах большой длины, используя зависимость скорости электромагнитной волны от ее длины, а после усиления в активной среде — вновь сжать до начальной величины в компрессоре из двух дифракционных решеток. Это резко повышает эффективность усиления и позволяет получать импульсы излучения с гигантской интенсивностью. В свое время при проектировании облика СО₂ лазерной системы с энергией 100 КДж в импульсе длительностью 1 нс мы встретились с такой же, но более простой задачей, поскольку нам нужно было снять энергию с колебательного уровня, распределенную по вращательным подуровням. Наше решение заключалось в том, чтобы не дожидаться межуровневой передачи энергии, а использовать для усиления многочастотные наносекундные импульсы излучения, которые мы параллельно научились получать. Жаль, что на создание этой системы так и не выделили средства.