КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-19-00542

НазваниеИсточники когерентного излучения нового типа: газоразрядные волоконные лазеры

РуководительГладышев Алексей Вячеславович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словаПолый световод, микроструктурированный световод, средний инфракрасный диапазон, ультрафиолетовый диапазон, сверхвысокие частоты, СВЧ, газовый разряд, газоразрядный лазер, волоконный лазер

Код ГРНТИ29.33.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание лазеров нового типа – газовых волоконных лазеров (ГВЛ) с накачкой электрическим разрядом. Как газовые (не волоконные), так и волоконные (не газовые) лазеры хорошо известны независимо друг от друга. Однако появление световодов с полой сердцевиной (СПС) открывает перспективы для объединения преимуществ обоих типов лазеров в одном устройстве. За последние годы реализованы ГВЛ с оптической накачкой, использующие как инверсию населенностей, так и эффект вынужденного рамановского рассеяния. Однако, строго говоря, при оптической накачке полый световод служит не генератором, а, всего лишь, преобразователем излучения накачки. При этом естественно, что характеристики ГВЛ оказываются ограничены предельными характеристиками лазера накачки. Для того, чтобы в полной мере реализовать возможности полых световодов (устойчивость к высокоинтенсивному излучению, широкий спектральный диапазон пропускания и т.д.), необходимо осуществить в СПС именно генерацию лазерного излучения. С этой целью предлагается накачивать активную среду ГВЛ электрическим разрядом. Несмотря на то, что идея создания газоразрядных ГВЛ давно витает в воздухе, такие лазеры до сих пор не были продемонстрированы из-за сложностей с поддержанием тлеющего разряда в капиллярах малого диаметра (менее ~100 мкм). В рамках данного Проекта планируется исследовать указанную проблему и реализовать газоразрядный ГВЛ на основе газонаполненных кварцевых световодов с полой сердцевиной.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения данного Проекта будут разработаны револьверные световоды с полой сердцевиной, оптимизированные для создания газоразрядных волоконных лазеров, будут исследованы условия зажигания и стабильного поддержания тлеющего разряда при СВЧ-накачке различных газовых смесей, заполняющих полую сердцевину. Спектральная диагностика плазмы тлеющего разряда в газонаполненных световодах позволит провести отбор наиболее перспективных газовых смесей. Кроме того, будет разработан и создан оптический резонатор для газоразрядных волоконных лазеров, а также разработана схема СВЧ накачки, обеспечивающая эффективное возбуждение газовой смеси в полой сердцевине световода. Основным результатом Проекта станет первое в мире получение лазерной генерации в газонаполненных револьверных световодах при накачке СВЧ излучением (если зарубежные коллеги нас не опередят). Таким образом, будет создан новый тип источников когерентного излучения - газоразрядные волоконные лазеры (ГВЛ). Принципы работы таких лазеров будут продемонстрированы на основе нескольких различных газовых смесей. Будут проведены исследования факторов, влияющих на стабильность работы и коэффициент полезного действия ГВЛ с накачкой СВЧ разрядом. Успешное решение задач, поставленных в данном Проекте, приведет к созданию нового поколения мощных, компактных, отпаянных, дешевых, простых по конструкции лазеров, исключающих громоздкую систему прокачки рабочего газа. При этом разнообразие активных сред (газовых смесей) позволит генерировать излучение в очень широком диапазоне длин волн от вакуумного ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона, что востребовано многочисленными применениями от литографии и обработки материалов, до биомедицины и оборонных применений. За весь период Проекта планируется опубликовать не менее 9 статей в рецензируемых журналах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Как газовые (не волоконные), так и волоконные (не газовые) лазеры хорошо известны независимо друг от друга. Однако появление световодов с полой сердцевиной открывает перспективы для объединения преимуществ обоих типов лазеров в одном устройстве. Волоконные лазеры отличаются малыми габаритами, механической устойчивостью, высоким качеством излучения, хорошими условиями теплоотвода, отсутствием необходимости юстировки. Световоды с полой сердцевиной отличаются дополнительно повышенной устойчивостью к мощному лазерному излучению и расширенным спектральным диапазоном по сравнению с обычными световодами, полностью состоящими из легированного кварцевого стекла. Но в полностью волоконных схемах возможности полых волоконных световодов ограничиваются волоконными источниками лазерного излучения на обычных, полностью твердотельных световодах. Целью настоящего проекта является преодоление указанного ограничения путем создания лазеров нового типа: газоразрядных лазеров на полых волоконных световодах. Но до настоящего времени решить такую задачу никому не удалось, так как снижение диаметра разрядного объема до величин, характерных для сердцевин полых световодов (порядка 100 мкм) резко повышает требования к необходимым для этого электрическим полям (в ранее опубликованных работах с этой целью использовались источники постоянного напряжения до 40 кВ, но генерация в волоконных газоразрядных лазерах так и не была получена). В данной работе для возбуждения плазмы в полой сердцевине было предложено использовать схему, подобную щелевой антенне в стенке металлического СВЧ волновода. Предложенная схема была экспериментально реализована. Получено аналитическое выражение для оценки величины электрического поля в области щели, где располагался световод с полой сердцевиной. Используя предложенную схему, была продемонстрирована возможность поддержания аргоновой плазмы в сердцевине полых световодов с диаметром до 100 мкм. Полная длина плазменного образования в полом световоде достигала 26 см при давлении аргона 10 торр. Частота СВЧ излучения составляла 2.45 ГГц, его средняя мощность была менее 20 Вт. Полученные спектры люминесценции аргоновой плазмы в световоде показали, что люминесцируют только возбужденные нейтральные атомы аргона. Излучение однократно ионизованных атомов аргона не наблюдалось. Впервые измерены минимальные значения напряженности электрического СВЧ поля частотой 2.45 ГГц, необходимые для поддержания разряда в ряде благородных газов (аргон, неон и гелий) в волоконных световодах с полыми сердцевинами малого диаметра вплоть до 100 мкм. Минимальные значения напряженности составляют для всех трех газов (2.5-2.8) кВ/см при давлении аргона ~50 торр, неона ~300 торр и гелия ~500 торр. Полученные результаты являются существенным продвижением на пути создания газоразрядных волоконных лазеров.

Публикации

1. Буфетов И.А., Гладышев А.В., Нефедов С.М., А.Ф. Косолапов А.Ф., Вельмискин В.В., Гончаров П.А., Минеев А.П. Поддержание СВЧ-разряда в полой сердцевине волоконных световодов для газовых волоконных лазеров Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, - (год публикации - 2023)

2. Гладышев А.В., Нефедов С.М., Колядин А.Н., Косолапов А.Ф., Вельмискин В.В., Минеев А.П., Буфетов И.А. Microwave Discharge in Hollow Optical Fibers as a Pump for Gas Fiber Lasers Photonics, MDPI, vol. 9, #10, paper 752 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/photonics9100752

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Впервые создан газоразрядный волоконный лазер на световоде с полой сердцевиной. Диаметр сердцевины составлял 130 мкм. В качестве накачки использовалось СВЧ излучение с частотой 2.45 ГГц. В качестве активной среды использовалась смесь газов He:Ar:Xe в соотношении 100:10:1. Суммарное давление газа в сердцевине световода составляло 130 торр. На выходе из волоконного резонатора, образованного широкополосными зеркалами, наблюдалась лазерная генерация на длине волны линии атома ксенона 2027 нм. Полученный результат открывает новые перспективы для создания газоразрядных волоконных лазеров, которые сочетают в себе преимущества как волоконных, так и газоразрядных лазеров, и могут найти применение в различных областях науки и техники.

Публикации

1. Гладышев А.В., Комиссаров Д.Г., Нефедов С.М., Косолапов А.Ф., Вельмискин В.В., Буфетова Г.А., Минеев А.П., Буфетов И.А. Свойства СВЧ разряда в полом световоде газоразрядного волоконного лазера Квантовая электроника [англ. перевод: Bulletin of the Lebedev Physics Institute], - (год публикации - 2023)

2. Гладышев А.В., Комиссаров Д.Г., Нефедов С.М., Косолапов А.Ф., Вельмискин В.В., Минеев А.П., Буфетов И.А. ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ КСЕНОНОВЫЙ ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА С ПОЛОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ Фотон-Экспресс, № 6, С. 237-238 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24412/2308-6920-2023-6-237-238

3. Гладышев А.В., Комиссаров Д.Г., Нефедов С.М., Косолапов А.Ф., Вельмискин В.В., Минеев А.П., Буфетов И.А. Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой Краткие сообщения по физике ФИАН [перевод: Bulletin of the Lebedev Physics Institute], номер 9, стр. 62-71 [перевод: vol.50,#9, 403-408]. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S1068335623090038

4. Прямиков А.Д., Гладышев А.В., Косолапов А.Ф., Буфетов И.А. Полые световоды: современное состояние и перспективы развития Успехи физических наук, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3367/UFNr.2023.12.039616