RU 
EN 
CN 
ES 
Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева совместно со своими российскими и зарубежными коллегами разработали и испытали первую в России экспериментальную лазерную установку нового типа, позволяющую создавать компактные лазеры мегаваттной мощности. На основе подобных лазерных установок в перспективе возможно создание глобальных систем противоастероидной защиты, а также компактные и мощные источники когерентного излучения для применений в промышленности.
В настоящее время в мире активно ведутся поиски новых принципов построения мощных и компактных лазеров. Лазер с оптической накачкой на метастабильных атомах инертных газов создан учеными Самарского университета в кооперации с Самарским филиалом Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и университетом Эмори (Emory University, США) в рамках вузовской научно-исследовательской лаборатории "Структура и динамика квантовых систем" под руководством американского профессора Майкла Хэвена.
Экспериментальная работа по созданию нового лазера началась в США и России в 2012 году. Ученые Самарского университета совместно с коллегами из Самарского филиала ФИАН в августе 2019 года завершили разработку экспериментальной установки и первый же ее запуск подтвердил их теоретические расчеты. В настоящее время в мире всего пять действующих подобных установок – одна в Самарском университете, остальные четыре – в крупных научных центрах США. Еще одна находится сейчас в процессе сборки в лазерном центре в китайском городе Ухань.
В предложенной Майклом Хэвеном схеме в качестве эффективной оптической накачки используется излучение диодных лазеров, при этом в разрядной камере атомы инертных газов – неона, аргона, криптона, ксенона – переводятся в метастабильное возбужденное состояние в плазме, создаваемой электрическим разрядом при давлении порядка атмосферного. В такой газовой среде формируется гораздо более мощный и качественный лучевой поток, чем в существующих полупроводниковых лазерах, осуществляющих оптическую накачку.
"Предложенное сочетание технологий позволяет создать компактный лазер, который способен выдавать непрерывное излучение мощностью до нескольких мегаватт, – отметил профессор Майкл Хэвен. – Кроме того, активная среда такого лазера содержит только инертные газы, что существенно упрощает техническую реализацию и позволяет создать химически инертный вариант лазерной установки – в отличие от лазеров на парах щелочных металлов".
Созданная самарскими учеными установка является лабораторной и будет пока использоваться для выявления оптимального способа получения метастабильных атомов инертных газов и эффективных режимов лазерной генерации. "Сейчас, когда мы создали собственно установку, мы будем экспериментально изучать физические принципы построения такой системы – как проводить оптическую накачку, как мощность разряда влияет на концентрацию метастабильных атомов аргона, как зависит концентрация метастабильных атомов инертных газов от давления смеси", – прокомментировал ведущий научный сотрудник лаборатории "Физика и химия горения" Самарского университета Павел Михеев.
Как отмечают ученые, по своим энергетическим свойствам подобные установки близки к космическим бластерам, описываемым в фантастических романах, и могут использоваться при создании в будущем систем противоастероидной защиты Земли. Компактные мощные лазеры также могут быть востребованы в различных сферах промышленности, в том числе для обработки материалов, измерения расстояния между объектами и решения других задач.
Справочно:
Создание лазерной установки и проведение исследований в данной сфере выполнено в рамках реализации научных мероприятий по государственному заданию в рамках научного проекта "Лазер с оптической накачкой на метастабильных атомах инертных газов" (3.1715.2017/ПЧ, 2017-2019 годы). Также исследовательские работы ведутся при поддержке мегагранта выделенного Правительством РФ (постановление Правительства РФ №220), на средства которого в Самарском университете создана и работает лаборатория "Физика и химия горения" под руководством профессора Международного университета Флориды Александра Мебеля. По итогам мегагранта коллектив ученых предложит инженерам-двигателистам физически обоснованные модели горения для конструирования принципиально новых экологичных и энергоэффективных камер сгорания для газотурбинных двигателей.
Ссылки на теоретические основы по данным исследованиям в научных публикациях:
- P., Zuo, D., Mikheyev, P. A., Han, J., & Heaven, M. C. (2019). Time-dependent simulations of a CW pumped, pulsed DC discharge Ar metastable laser system. Optics Express, 27(16), 22289-22301. Q1
- Chernyshov, A. K., Mikheyev, P. A., & Ufimtsev, N. I. (2019). Measurement of pressure shift and broadening for Ar and Kr 4s [3/2] 2→ 4p [5/2] 3 transition in rare gases using diode-laser spectroscopy. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 222, 84-88. Q1
- Demyanov, A. V., Kochetov, I. V., Mikheyev, P. A., Azyazov, V. N., & Heaven, M. C. (2018). Kinetic analysis of rare gas metastable production and optically pumped Xe lasers. Journal of Physics D: Applied Physics, 51(4), 045201. Q2
- Mikheyev, P. A., Han, J., Clark, A., Sanderson, C., & Heaven, M. C. (2017). Production of Ar and Xe metastables in rare gas mixtures in a dielectric barrier discharge. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(48), 485203. Q2
- Mikheyev, P. A., Chernyshov, A. K., Ufimtsev, N. I., Vorontsova, E. A., & Azyazov, V. N. (2015). Pressure broadening of Ar and Kr (n+ 1) s [3/2] 2→(n+ 1) p [5/2] 3 transition in the parent gases and in He. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,164, 1-7. Q1
- Михеев, П. А. (2015). Лазеры на метастабильных атомах инертных газов с оптической накачкой. Квантовая электроника, 45(8), 704-708. Q3
- Demyanov, A. V., Kochetov, I. V., & Mikheyev, P. A. (2013). Kinetic study of a cw optically pumped laser with metastable rare gas atoms produced in an electric discharge. Journal of Physics D: Applied Physics, 46(37), 375202. Q2
