Институт лазерной физики. ИЛФ Научное отделение ФГУП «НПК «ГОИ им С.И.Вавилова»

1.

ИНСТИТУТ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ
ИЛФ Научное отделение ФГУП «НПК «ГОИ им С.И.Вавилова»
Твердотельные лазеры
Направления работ
•Лазеры для информационных систем наземного,
авиационного и космического базирования
•Мощные ТТЛ для технологии и локационных систем, в т.ч. лазеры
с управляемой диаграммой направленности
•Твердотельные перестраиваемые лазеры среднего ИК-диапазона длин волн
Фотоника наноструктур
•Нелинейно-оптические ограничители лазерного излучения
•Применение наноструктур в медицине
Газовые лазеры и лазерно-оптические системы с наноструктурами
•Фуллерен-кислород-йодный лазер
•Оптические системы для EUV – нанолитографии
•Многофункциональный лидар для мониторинга окружающей среды
Оптика лазеров
•Фазирование излучения в многоканальных лазерных системах
•Коррекция аберраций в формирующих и наблюдательных оптических
системах методами нелинейной оптики
Теория
•Теория и численное моделирование лазеров и лазерных систем
•Теория взаимодействия лазерного излучения с веществом,
эффекты сверхсильных полей
•Теория и численное моделирование распространение лазерного излучения
в неоднородных и нелинейных средах и теория оптических солитонов

2. Научная школа «Оптика лазеров» проф. А.А.Мака

Школа «Оптика лазеров» основана в 1971 году. С 1996 года
коллектив школы ИЛФ получает грант Президента РФ как
ведущая научная школа в области оптики лазеров.
ИЛФ: штат - 101 сотрудник, докторов наук 11, кандидатов наук 34,
аспирантов - 6, средний возраст 46 лет, молодежи 31%, студентов
СПбГУ ИТМО и СПб ГЭТУ - 10.
За 2008-2009 годы опубликовано более 150 научных работ
(монографии 4, учебников 3, статей 82, из них 31 – в зарубежных
журналах, тезисов докладов 64).
С 1977 г. проводятся конференции «Оптика лазеров», которые с
1993 г. стали международными.
Очередная 14-ая конференция состоится в июне 2010 года.

3. Научная школа «Оптика Лазеров» проф. А.А.Мака Общее число опубликованных монографий: 15

Основные монографии:
• Мак А.А., Сомс Л.Н., Фромзель В.А., Яшин В.Е. Лазеры на неодимовом
стекле. М.: Наука, 1990.
Розанов Н.Н. Пространственные эффекты в бистабильных оптических
системах // Новые физические принципы оптической обработки
информации. М.: Наука, 1990. С. 230-262.
Розанов Н.Н. Оптическая бистабильность и гистерезис в распределенных
нелинейных системах. М.: Наука. Физматлит, 1997, 336 с.
Andreev А.А., Мак A.A., Solovyev N.A. An Introduction to Hot Laser Plasma
Physics. NY Science Publishers, Inc., 2000, 163 p.
Rosanov N.N. Solitons in systems with saturable absorption. In Dissipative
solitons // Lecture Notes in Physics. V. 661. Berlin: Springer, 2005. P. 101-130.
Пиотровский Л.Б., Белоусова И.М., Данилов О.Б., Киселев О.И. Фуллерены:
фотодинамические процессы и новые подходы в медицине. Изд. «Роза
мира», 2005 г. С.133.
Серебряков В.А. Лазерные технологии в медицине. Изд. ИТМО, 2009 г. С.265.

4. Награды за последние 7 лет

Ордена «За заслуги перед Отечеством» четвертой и третьей степени
- проф. А.А.Мак
Почетное звание «Заслуженный деятель науки Российской Федерации»
- проф. И.М.Белоусова
Почетные грамоты Минпромэнерго России
- проф. И.М.Белоусова, к.ф.-м.н. Ан.А.Мак, А.А.Суханов
Почетные грамоты Минпромторга России
– проф. В.А.Серебряков, А.Ф.Корнев
Премия им. Д.С.Рождественского Президиума РАН за 2007 год - проф. Н.Н.Розанов
Звание «Почетный работник промышленности вооружений»
- к.ф.-м.н. Ан.А.Мак, к.ф.-м.н. В.Ю.Венедиктов,
проф. О.Б.Данилов, проф. Н.Н.Розанов, Л.К.Сухарева
Медаль К.Э.Циолковского Федерации космонавтики России
– проф. А.А.Мак
Медаль М.В.Келдыша Федерации космонавтики России
- проф. А.А.Мак, к.ф.-м.н. Ан.А.Мак, А.Ф.Корнев
Медаль С.П.Королева Федерации космонавтики России
- В.П.Покровский
Медаль С.Э.Фриша Оптического общества им. Д.С.Рождественского
– к.ф.-м.н. Ан.А.Мак

5.

Лазеры безопасного для глаз диапазона – 1.5 мкм
дальнометрия
локация
Области применения: зондирование атмосферы
системы управления высокоскоростного движения
медицина
Высокий допустимый уровень энергии излучения, не повреждающий
глаз человека - 7.9 мДж (по сравнению с излучением для длины волны
1.064 мкм этот уровень на три порядка выше)
Окно прозрачности атмосферы для излучения с длиной волны ~1.5 мкм
Для 1.5 мкм области длин волн имеются приемники излучения с высокой
чувствительностью
Достигнутый КПД «свет-свет» для моноимпульсного режима генерации
для лазеров 1,5 мкм диапазона составляет ~ 2%
Компактный дизайн
Жесткие условия эксплуатации
Направления работ:
новые перспективные активированные среды
эффективные системы накачки
создание элементной базы
новые принципы построения eyesafe лазеров

6. 1.5 мкм лазер на эрбиевом стекле с ламповой накачкой для портативных дальномеров

Лазерный излучатель
Энергия импульса
7 мДж
Длительность импульса
< 25 нс
Частота следования импульсов
1 Гц
Расходимость излучения
(после телескопа)
0.5 мрад
Дальномер
Точность измерения дальности
±5м
Дальность
не менее 10 км
Температурный диапазон - 40ºС ….+ 80ºС
Вибрации
200 …..2000 Гц
Удар
до 500 g, 5 мс

7. 1.5 мкм частотный лазер на эрбиевом стекле с диодной накачкой для сухопутной техники

Дальномер
Энергия импульса
8 мДж
Длительность импульса
20 нс
Частота
от 1 до 20 Гц
Расходимость
0.5 мрад (80%)
Габариты лазера
160×60×60
Охлаждение
естественное
Распределение излучения в дальней зоне
Энергия генерации в частотном режиме

8.

Двухволновый 1.06/1.54 мкм лазер на
алюмоиттриевом гранате для авиационных систем
Области применения:
дальнометрия
мониторинг окружающей среды
дистанционное зондирование
Длина волны
1.064 мкм
1.570 мкм
Энергия импульса
100 мДж (1.064)
30 мДж (1.570)
Длительность импульса
12 нс
Частота повторения импульсов 25 Гц
Расходимость излучения
2 DL (1.064)
5 DL (1.570)
Габариты
320×160×100 мм
две длины волны генерации
высокая частота следования импульсов
воздушное охлаждение
высокоэффективная диодная накачка
жесткие условия эксплуатации

9. Разработка твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой для локационных и пилотажно-навигационных систем

Основные направления работ:
разработка моноимпульсных лазеров с высокой частотой
повторения импульсов генерации (до десятков килогерц) и
энергией моноимпульса до нескольких десятых долей
джоуля, излучающих в видимом и ближнем ИК диапазоне длин
волн;
разработка систем накачки твердотельных лазеров с
использованием полупроводниковых лазерных диодов, линеек
и матриц;
разработка электрооптических модуляторов добротности
резонатора на основе перспективных электрооптических
сред;
разработка и внедрение в серийное производство
перспективных лазеров ближнего ИК-диапазона длин волн и
элементной базы для них.

10. Излучатель для авиационных оптико-локационных станций

Высокие генерационные характеристики лазера
достигнуты за счет применения:
оригинальной системы накачки, обеспечивающей высокую
эффективность запасания энергии в активном элементе
использования для модуляции добротности резонатора
электрооптического затвора-ретрозеркала
Параметры лазера:
длина волны 1,06 мкм
энергия импульса до 70 мДж
длительность импульса 5-7 нс
расходимость излучения <4 мрад
Режим подсветки:
пачка из 9 импульсов
частота следования
импульсов в пачке 1 кГц
частота следования пачек 4 Гц

11. Линейка излучателей для пилотажно-навигационных систем

Линейка излучателей для пилотажнонавигационных систем
Линейка миниатюрных лазеров на основе модульного принципа
модуль состоит из неодимового лазера с длиной волны ~1.06 мкм и
параметрического генератора света, преобразующего это излучение в
диапазон длин волн безопасных для зрения (~1.5 мкм)
лазеры работают в периодическом режиме генерации с частотой 5-10 кГц
и излучают импульсы с энергией до 1 мДж, длительностью 1-10 нс
Модуль лазера накачки параметрического генератора света:
энергия в импульсе 0.3 мДж
частота следования импульсов 5 кГц

12. Бесстоксовые лазеры на кристаллах Er:YAG для оптико-локационных станций различного назначения

Цели работы:
создание нового поколения микромодульных
лазерных каналов в безопасном для глаз
спектральном диапазоне излучения для
комплектации прицелов и наблюдательных
приборов для сухопутных, морских и авиационных
систем вооружения;
разработка базовых технологий моноимпульсных
лазеров безопасного для глаз диапазона с диодной
накачкой, в том числе с высокой частотой
следования импульсов и расходимостью
излучения, близкой к дифракционной.
Ожидаемые параметры лазера:
длина волны генерации
1.64 мкм
энергия импульса
10 мДж
длительность импульса
15 нс
угловая расходимость
излучения
1.5 DL
частота следования импульсов 30 Гц
Схема накачки
и генерации
излучения в
лазере на
Er:YAG

13.

Твердотельный лазер с переключаемой
диаграммой направленности
для высотомера – вертиканта спускаемых КА
Особенности:
длина волны 1.06 мкм
длительность импульса 10 нс
схема: задающий генератор-усилитель
диодная накачка
дублирование всех ЭРИ
циклограмма работы: пачка из четырех
импульсов с частотой следования внутри
пачки 250 Гц, частота следования – 1 Гц
переключение диаграммы направленности
с помощью ЖК ячеек
основные требования
результат
космическое базирование
требования по устойчивости к внешним
воздействиям подтверждены испытаниями
узкая диаграмма
направленности
расходимость лазера
1,25 дифракционного предела
выходная энергия
36 мДж на выходе коммутатора-формирователя
минимизация веса и габаритов
вес лазерного излучателя 420 г
малое энергопотребление
потребляемая мощность 15 Вт

14. Мощные ТТЛ для технологии и локационных систем

Базовый модуль нового поколения ТТЛ
3 Дж /100 Гц
Nd:YAG лазер
Длительность импульса ~ 10 нс
Расходимость излучения ~ 1,3 DL
Ресурс до замены ламп накачки >108 имп.
Стабильность энергии < 1%
К.п.д. ~ 2,4% («электричество – свет»)
(В режиме модулированной добротности при F=100 Гц!)
Возможные опции:
генерация гармоник (532 нм, 355 нм, 266 нм);
параметрическое преобразование (1,5 мкм; 2 мкм; 3…5 мкм);
компрессия импульсов до ~1 нс.

15.

3 Дж /100 Гц Nd:YAG лазер
Результаты испытаний
доля энергии
100%
75%
ближнее поле:
Теоретический
предел
Измерено
3 Дж @ 100 Гц
50%
дальнее поле:
25%
0
0.1
0.2
угол, мрад
0.3
10-4 рад
расходимость выходного излучения: ~ 1,3 DL
высокое качество компенсации термически наведенных аберраций
энергетическая стабильность от импульса к импульсу (за 100 имп) <1% (СКО)
временная стабильность энергии (за 25 мин)<2% (СКО)

16.

3 Дж /100 Гц Nd:YAG лазер
Масса излучателя ~50 кг
Масса блоков питания ~150 кг

17.

Лазерная система
высокой мощности (12 Дж/100 Гц)
Задающий
генератор
E ~ 5 мДж
Выходная апертура
~ 100 мм
ОВФ
ОВФ
Усилитель
3 Дж @ 100 Гц
Усилитель
3 Дж @ 100 Гц
= 1064 нм
Использование общего задающего генератора:
=> Синхронизация каналов во времени
=> Высокая точность сведения пучков
E = 12 Дж @ 100 Гц
~ 10 нс
< 10-4 рад

18.

Лазерная система высокой мощности (12 Дж/100 Гц)
Модульная (масштабируемая) конструкция
Длина волны
1.064 мкм
Энергия импульса
12 Дж
Частота следования
импульсов
100 Гц
Длительность
импульса
Расходимость
выходного излучения
10 нс
<0.1 мрад
Диаметр выходного
пучка
100 мм
Масса излучателя
220 кг
Масса БП
КПД
≈ 1000 кг
2,4 %

19.

Перестраиваемый в диапазоне 3÷5 мкм
ПГС (параметрический генератор света)
Параметрическое преобразование частоты в средний ИК-диапазон
осуществляется на основе 500 Вт импульсного Nd:YAG лазера с
диодной накачкой и 50 Вт Tm-Ho лазера
Ожидаемые параметры излучения в среднем ИК – диапазоне:
Энергия
до 100 мДж
Частота следования
до 1000 Гц
Качество пучка не более 5 дифракционных пределов (М²<5)

20.

Разработка и внедрение новых лазерных технологий
обработки элементов газотурбинных двигателей для
повышения их удельной мощности и ресурса
Лазерное упрочнение металлов наклепом:
обработка металлических деталей и узлов двигателя ударным лазерным упрочнением
(лазерный наклеп пучками больших размеров 5-10 мм с энергией 50-100 Дж) повышает
усталостную прочность и стойкость к эрозионному износу за счет повышения
микротвердости поверхности материала.
Лазерное сверление микроотверстий 100-500 мкм в жаропрочных сплавах
турбинных лопаток с плотностью до 100 канал/см2 и со скоростью до10 канал/сек.
Компактная афокальная фокусирующая система, формирует “световую трубку” для
сверления без конусности глубоких до 5-6 мм микроотверстий.
Разработка нового поколения мощных
3-8 мкм твердотельных ПГС лазеров
Создание “холодных” лазерных скальпелей для минимально инвазивной
прецизионной микрохирургии в офтальмологии, в первую очередь, для перфорирующей
хирургии глаукомы, нейрохирургии и кардиохирургии.
Резонансная инфракрасная лазерная абляция в методе сверхтонкого напыления
полимерных, в том числе нерастворимых фторсодержащих пленок, обладающих
уникальными физическими и химическими свойствами, такими как высокое фрикционное
сопротивление, химическая инертность и биосовместимость и, наконец, низкая
диэлектрическая проницаемость, требующаяся как в микроэлектронике, так и в
медицинских имплантантах и т.д.

21.

Защита органов зрения от лазерного излучения
в наблюдательных приборах
Однокаскадная схема
Макет защитной насадки
на снайперский прицел
Двухкаскадная схема
Макет командирской зрительной трубы
с ограничителем ЛИ
Прототипы ограничителей, основанных на суспензиях
углеродных наночастиц в софокусных системах
Параметры:
спектральный диапазон 0.3-1.3 мкм
порог ограничения
5·10-6 Дж
динамический диапазон
> 104
временной отклик
~ 3 нс
время восстановления
1с
цветовой комфорт
В двухкаскадной схеме с дополнительным элементом на основе
полупроводниковых наночастиц порог ограничения 10-9 Дж

22.

Средства индивидуальной защиты глаз
От силового лазерного излучения
Состав защитных очков:
•нелинейно-оптическое фоточувствительное стекло ФХС-7
•светофильтр из цветного стекла СЗС-25
•светофильтр из цветного стекла ОС-12
•просветляющие покрытия на оптических поверхностях
Результаты испытаний
Коэффициент визуального пропускания (с просветляющим покрытием) Твиз = 63.5%
Динамический диапазон работы защитных очков 10-7 6·10-1 Дж/см2
Кратность ослабления ЛИ (355, 532, 1064, 1315 нм) 105 ÷106
высокое пропускание
высокая лучевая стойкость
Особенности: независимость ослабления ЛИ от углов падения
импортонезависимые технологии
существенное снижение бликования
отсутствие сложных технологических элементов
От сверхмощного широкополосного светового излучения
Состав защитных очков:
•электроуправляемые ЖК – элементы
•схема управления с фотодетектором
Характеристики макетного образца
Быстродействие, мс
2-7
Пропускание, %
59%(открытый), 1.2%(закрытый)
Значения контраста
≤1000 (PDLC); ≤250 (PNLC)
Лучевая стойкость, Вт/см2 (Дж/см2)
≥150
Напряжение питания, В
70 (в импульсе)
Температурный диапазон, ºС
-70 +50
(≥ 230 (7 мс))

23. Разработка и выпуск аппаратуры по обеззараживанию плазмы крови Фуллерен для инактивации вирусов

Применение этого метода позволит
заметно повысить производительность
изготовления препаратов и существенно
понизит стоимость конечного продукта
по сравнению с методами,
используемыми в настоящее время

24.

Фуллерен-кислород-йодный лазер
с солнечной накачкой
лазера
Рабочие параметры
фуллерен-кислород-йодного
лазера (расчет)
Рабочая
температура,
K
Запасенная
энергия,
Дж/л
Технический
КПД, %
293
12
1.0
273
45
3.5
265
145
12.5
205
360
30.0

25.

Утилизация солнечной энергии с помощью
фуллерен-кислород-йодного лазера
с солнечной накачкой
Энергетическая лазерно-оптическая система космического базирования на основе
фуллерен-кислород-йодного лазера
Орбитальный фуллерен-кислород-йодный
лазер (ФОИЛ) мощностью 1 ГВт,
размещаемый на геостационарной орбите
высотой ~36 000 км
Зеркальный космический концентратор
солнечной энергии пленочного типа
суммарной площадью 2,56 кв.км
Лазерно-оптическая адаптивная система
формирования угловой расходимости до
10-7 радиан и сверхточного наведения на
Землю (10-8 радиан)
Энергетическая наземная станция приема
и преобразования лазерного луча в
электрическую энергию
КПД преобразования солнечной энергии в лазерный луч – 30%
КПД преобразования лазерного излучения в электрическую энергию 70%

26. Сканирующий лазерный локатор авиационного базирования

Функциональные задачи:
Состав аппаратуры:
Обзор и лоцирование оперативной обстановки;
Экспресс-анализ и идентификация объектов фоноцелевой
обстановки;
Обнаружение малоконтрастных, замаскированных и скрытых
объектов, определение координат и выдача целеуказания;
Наблюдение и распознавание облика объекта;
Обработка и вывод информации и 3D-изображения в
реальном масштабе времени.
Лазерный передающий канал;
Ультраспектральный
видеоспектрометр;
Система автоматического
управления, считывания и
обработки информации.
Параметры
Действующий
лидар
Перспективная
разработка
Высота полета, км
0,1-1
0,1-1
Спектральный диапазон, мкм
0,26 – 0,35
0,26 - 4,2
Поле обзора (сканирование)
0,16°
60°
Разрешение, см
10 - 30
10
Скорость полета, км/ч
0 – 500
0 - 500
Спектральное разрешение
(λ/Δλ)
10 000
10 000
Кол-во одновременно
регистрируемых
спектров
3
не менее 10
Размеры, см
120×66×112
-
Масса, кг
65
40 - 60

27.

Ключевые лазерные и оптические технологии
для EUV литографии
Создание источника EUV излучения (λ = 13,5 нм) и дифракционноограниченной оптической системы для литографической установки с
высокой производительностью печати интегральных схем
EUV лазерно-плазменный
источник
EUV оптическая система с технологической нормой
печати 10-30 нм
Профиллограмма
поверхности
EUV зеркала
Двухимпульсная схема облучения
мишени с коэффициентом
конверсии лазерного излучения в
EUV ~5%
Технология изготовления асферических зеркал
дифракционного качества с атомно-гладкими поверхностями
(Rq ≤ 0,15 нм) соответствует уровню продукции передовых
зарубежных фирм
Изготовлены осветительная и репродукционная
подсистемы
Aдаптивные средства коррекции
волновых аберраций EUV объективов
(голографические компенсаторы
деформаций EUV зеркал и изображения,
термокоррекция волновых аберраций с
точностью 0,3÷ 0,6 нм) снижают
требования к точности формы и
стоимость зеркaл при сохранении
300 мм - вогнутое
дифракционного качества изображения
зеркало объектива

28. Нелинейно-оптическая коррекция изображения в телескопе с мембранным главным зеркалом

Достоинство мембранных зеркал:
- низкая стоимость
- варьируемый фокус (как вогнутое, так и
выпуклое зеркало )
- диаметр до 10 метров
- малый вес (меньше 1 кг на м2)
- компактность при транспортировке
Изображение,
искаженное
мембранным
зеркалом
Скорректированное
изображение
Результаты экспериментов по
динамической голографической
коррекции изображения в
телескопической системе с
мембранным главным зеркалом,
работающей в некогерентном свете
(ширина спектра 50 нм)

29. Лазерные стандарты частоты излучения

Вторичный стандарт частоты излучения лазера на длине волны 532 нм:
- Nd:YVO4-лазер с полупроводниковой накачкой и внутрирезонаторной
генерацией второй гармоники частоты излучения;
- стабилизация частоты излучения по линии поглощения молекулярного
йода;
- долговременная стабильность и воспроизводимость частоты излучения
на уровне / ~ 10-12.
В настоящее время
проводятся теоретические
работы по поиску путей
создания малогабаритных и
переносных вторичных
стандартов частоты
лазерного излучения с
уровнем стабильности
до / ~ 10-13 – 10-14

30.

Оптические солитоны
Оптические солитоны - структуры излучения с
неменяющейся в процессе эволюции формой из-за
баланса между линейными и нелинейными факторами
Поперечное распределение интенсивности
излучения лазера при формировании комплекса
из семи связанных солитонов.
Диссипативные оптические солитоны (ДОС) (были предсказаны Н.Н.
Розановым с сотрудниками в 1980-х г.г.) – это результат равновесия фотонов,
распространяющихся под разными углами, которые взаимодействуют друг с
другом через поглощение в пассивной среде и/или генерацию активной среды
Перспективы использования ДОС:
схемы памяти, линии задержки и
другие приложения в информатике и
телекоммуникациях
В процессе этих работ (2008г.)
возникла идея «солитонного
коллайдера» - преобразование
частоты излучения с большим Δλ и
коэффициентом преобразования >1
═>открывается новый путь к
генерации интенсивного когерентного
коротковолнового излучения
Распределение интенсивности излучения для двух сильно
связанных вихревых лазерных солитонов