Доклад президиума российской академии наук

2. ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ОПТИКА И НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Фемтосекундная оптика и физика сверхсильных полей

В экспериментах по созданию компактного лазерного-плазменного ускорителя электронов на базе петаваттного фемтосекундного лазерного комплекса получены пучки электронов с энергией более 200 МэВ при разбросе по энергиям на уровне 10% и по углам 0.2 градуса. Ускорение осуществляется на трасе длиной 1 мм в газовой мишени, что соответствует возбуждению ускоряющих электрических полей в плазме с величиной более 2 ГэВ/см, на три порядка превосходящей максимально возможные значения в традиционных линейных ускорителях заряженных частиц. Полученные пучки представляют интерес для создания компактных лазеров на свободных электронах и новых приложений в лучевой терапии. (ИПФ РАН)

Предложена и экспериментально реализована эффективная схема генерации терагерцового излучения фемтосекундными лазерными импульсами в сэндвич-структуре с тонкой нелинейной сердцевиной (LiNbO₃) и обкладками из материала с малым поглощением на терагерцовых частотах (Si). Механизм генерации – черенковское излучение терагерцовых волн в обкладках движущейся в сердцевине нелинейной поляризацией, наводимой при оптическом выпрямлении лазерных импульсов. В эксперименте достигнута рекордная на сегодняшний день эффективность оптико-терагерцовой конверсии ~ 0,12%. Созданный источник может быть использован для широкополосной терагерцовой спектроскопии, а также терагерцовой визуализации и томографии в системах контроля и безопасности. (ИПФ РАН, ИСАН)

Обнаружен новый режим оптического разряда в конденсированных средах – волна графитизации алмаза в остросфокусированном луче фемтосекундного лазера. На базе этого явления предложен и экспериментально реализован не имеющий аналогов лазерный метод объемного микро- и наноструктурирования алмаза. В объеме моно- и поликристаллического алмаза получены графитизированные проводящие каналы длиной до 1 мм, диаметром от десятков до долей микрона со скоростью формирования до 30 нм/импульс. Показано, что при выходе таких каналов на поверхность образцов лазерно-графитизированный материал может быть удален химическим травлением, что позволяет создавать внутри алмаза полые структуры. Предложенный метод представляет значительный интерес для развития алмазной электроники. (ИОФ РАН)

Создана уникальная установка фемтосекундных оптических часов на основе He-Ne/CH₄ и Nd:YAG/I₂ оптических стандартов частоты для прецизионных измерений частот от ультрафиолетового до радиодиапазона с точностью 10^–14–
10^–15 для решения задачи повышения точности координатного и временного обеспечения страны. С целью повышения точности фемтосекундных часов до
10^–17–10^–18 разработан оптический стандарт частоты нового поколения на основе ультра-холодных атомов магния захваченных в магнитооптическую ловушку. (ИЛФ СО РАН)

Созданы новые нанотехнологии получения лазерных керамик. Их основой является получение нанопорошков сложного состава методами химического со-осаждения (средний размер частиц d = 70 нм) или лазерного синтеза (d=10нм) с последующим их компактированием и вакуумным спеканием. Перспективность технологий подтверждена синтезом известных керамик Nd³⁺:Y₂O₃ и Nd³⁺Y₃Al₅O₁₂, на которых вслед за Японией и ранее в чем других странах получена генерация излучения на длинах волн =1,079 мкм и =1,06 мкм с эффективностью до 30% при накачке излучением полупроводниковых лазеров.

Синтезированы новые лазерные керамики R:(Lu_xY_1-x)₂O₃, а также керамики на основе R: (Y₂O_3-ZrO₂), где R – редкоземельный элемент (Nd, Yb), со светопропусканием на длине волны =1,06 мкм более 82%. Керамики имеют разупорядоченную кристаллическую структуру и перспективны для создания фемтосекундных лазеров. А также изготовлены образцы Nd³⁺Y₃Al₅O₁₂ керамик лазерного качества, пригодные для получения генерации излучения мощностью несколько сотен Ватт. (ИРЭ РАН, ИЭФ УрО РАН)

2.2. Новые оптические материалы

Разработана методика получения заготовок волоконных световодов на основе кварцевого стекла с различными добавками, легированного висмутом, химическим осаждением из газовой фазы. Исследованы оптические свойства волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированных висмутом, с добавкой оксидов алюминия и/или германия, фосфора и титана, вытянутых из этих заготовок. Впервые показано, что, варьируя состав, спектры люминесценции и усиления световодов можно сдвинуть в длинноволновую область вплоть до рабочей области эрбиевых усилителей. Так световод с сердцевиной из фосфорогерманосиликатного стекла, легированного висмутом, имеет широкую спектральную полосу усиления от 1270 до 1520 нм при накачке излучением на длине волны 1230 нм; на нем впервые осуществлена лазерная генерация в области длин волн 1300-1550 нм. Таким образом, показана возможность использования висмутовых усилителей в спектральном диапазоне, необходимом для увеличения скорости передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи. (ИХВВ РАН, НЦВО РАН)

Впервые продемонстрирован полностью волоконный желтый (длина волны 580 нм) лазер, простая, надежная и компактная конструкция которого представляется перспективной для различных применений. Лазер создан
на основе световода, легированного висмутом, генерирующего на длине волны 1160 нм. Удвоение частоты и генерация на длине волны 580 нм осуществляется в волоконном световоде специальной конструкции, в котором за счет полинга (периодическое по длине световода облучение сердцевины ультрафиолетовым излучением в электрическом поле) была записана решетка нелинейной восприимчивости второго порядка ⁽²⁾. (НЦВО РАН)

Разработаны и изготовлены одномодовые и многомодовые полупроводниковые лазеры, выращенные методом МОС-гидридной эпитаксии на основе квантово-размерных AlGaInAs/InP лазерных гетероструктур. Изготовлены опытные партии одномодовых и многомодовых лазеров с резонаторами Фабри-Перо, излучающих в диапазоне длин волн 1150-1180 нм, с выходными оптическими мощностями в непрерывном режиме генерации не менее 100 мВт и 1 Вт, соответственно.

Впервые созданы лазерные гетероструктуры и полупроводниковые мно-гомодовые лазеры на подложках арсенида галлия, излучающих на длине волны 1150 нм. Мощность, достигнутая в непрерывном режиме генерации (~10 Вт) позволяет рассчитывать на достижение непрерывной мощности излучения до
700 мВт в одномодовых лазерах с резонатором Фабри-Перо. (ФТИ РАН)

Исследован процесс формирования низкоразмерных гетероструктур на основе ZnSe/ZnMgSSe методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) для полупроводниковых лазеров с продольной накачкой электронным пучком для синей области спектра. Проведено исследование катодолюминесценции полученных наноструктур в зависимости от ростовых условий. Впервые на основе резонансно-периодических структур ZnCdSe/ZnMgSSe с 28 квантовыми ямами толщиной 6 мкм, выращенных в оптимальных условиях, реализован лазер с продольной накачкой электронным пучком, излучающий на длине волны 470 нм. Мощность излучения и порог генерации составили соответственно 2,7 Вт и