ОМОИ_ОИИ

СТРУКТУРА / НАУЧНЫЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯ / ОТДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОТДЕЛ ОПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (ООИ)

Направления научных исследований:
- Исследование процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой в условиях представляющих интерес для лазерного термоядерного синтеза (ЛТС)
- Разработка и создание твердотельных лазерных систем высокой мощности
Персоналии
Избранные публикации

НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой в условиях представляющих интерес для лазерного термоядерного синтеза (ЛТС)

В ООИ проводятся экспериментальные исследования взаимодействия мощных лазерных импульсов с плоскими мишенями, имитирующими элементы конструкций ЛТС мишеней, а также мишеней для исследований по физике высоких плотностей энергии и разработок мощных лазерно-плазменных источников рентгеновского излучения проводились на установках, включающих в себя твердотельную лазерную систему с активными элементами из неодимового стекла, вакуумную камеру с узлом крепления мишени и комплекс диагностической аппаратуры.


Фотография оконечных каскадов усиления со стержневыми активными элементами диаметром до 10 см в усовершенствованной и в настоящее время эксплуатируемой лазерной системе установки "Мишень".
		Энергия основного лазерного пучка диаметром 10 см на выходе лазерной системы достигает 100 Дж в импульсе длительностью 2,5 нс на длине волны излучения 1,054 мкм. При фокусировке лазерного излучения плотность светового потока на поверхности мишени в фокальном пятне диаметром 250 мкм варьируется в диапазоне 1013 - 1014 Вт/см2. Энергия вспомогательного лазерного пучка, используемого в диагностических целях, составляет 10 Дж в импульсе длительностью 0,3 нс на длине волны 0,53 мкм.


Фотография вакуумной камеры взаимодействия диаметром около 1 метра с диагностическими окнами и оптическими элементами, обеспечивающими ввод лазерного пучка в камеру и фокусировку излучения на поверхность размещаемой в центре камеры мишени.

Диагностический комплекс установки "Мишень" обеспечивает измерение основных характеристик лазерного пучка, а также измерение параметров и изучение поведения образующейся плазмы с высоким пространственным и временным разрешением. К настоящему времени на установке "Мишень" внедрены в эксперимент и с успехом используются оптические и рентгеновские методики, базирующиеся на самой современной диагностической аппаратуре: многокадровая оптическая интерферометрия и теневая фотография с временем экспозиции кадра 0,3 нс; электронно-оптические камеры, работающие в режиме щелевой развертки с временным разрешением 20 пс и регистрирующие 1 D изображения плазмы в оптическом диапазоне и диапазоне мягких рентгеновских лучей; рентгеновские камеры-обскуры, калориметры, кристаллические рентгеновские спектрографы и спектрометры видимого диапазона в комбинации с быстродействующими электронно-оптическими камерами. Наиболее значимые и во многом приоритетные результаты как фундаментального, так и прикладного характера получены в исследованиях, проводившихся по следующим тематическим направлениям:

	1.	Взаимодействие мощных лазерных импульсов с плазменной короной, образующейся у поверхности облучаемых мишеней из различных материалов, включая развитие параметрических неустойчивостей и процессов вынужденного рассеяния, конверсию лазерного излучения в рентгеновское излучение образующейся плазмы, генерацию второй гармоники и гармоники 3/2, а также генерацию сильных магнитных полей. Исследования, проводившиеся в 70-ых - 80-ых годах прошлого столетия достаточно подробно описаны в работах [1-6].
	2.	Моделирование сжатия оболочки-поршня сферических термоядерных мишеней и изучение возможностей низкоэнтропийного ускорения вещества в экспериментах по лазерному облучению тонких фольг и пленок, а также каскадных мишеней в виде набора фольг и пленок, последовательно размещаемых вдоль направления распространения лазерного пучка. В 80-ых - 90-ых гг. прошлого столетия экспериментально исследовались: развитие Рэлей-Тейлоровской неустойчивости (линейная и нелинейная стадии); нагревание абляционно-ускоряемой части мишени ударной волной и рентгеновским излучением плазменной короны; возможности достижения высоких гидродинамических КПД при устойчивом ускорении; высокоскоростной удар абляционно-ускоренного вещества по тонкой фольге в каскадных мишенях, формирование кумулятивной струи при лазерном облучении тонкостенных конических мишеней [7-14].
	3.	Взаимодействие мощных (1013 - 1014 Вт/см2) лазерных импульсов длительностью 2.5 нс с длиной волны 1,054 мкм с малоплотными (1-30 мг/см3) объемно-структурированными материалами различной микроструктуры (волоконный агар, вспененный полистирол). Результаты, полученные в экспериментальных исследованиях по этому направлению, впервые начатые в ГНЦ РФ ТРИНИТИ в середине 90-ых гг. прошлого столетия и продолжающихся по сей день, свидетельствуют о перспективности использования пористых материалов с малой средней плотностью в конструкциях мишеней для ЛТС, физики высоких плотностей энергии и лазерно-плазменных источников когерентного и некогерентного ренгеновского излучения. Измерения эффективности поглощения лазерного излучения, которое при облучении малоплотных сред носит объемный характер, параметров и поведения образующейся внутри пористой среды плазмы, а также изучение механизмов и эффективности энергопереноса в пористых материалах различной микроструктуры позволит выявить оптимальные условия применения малоплотных пористых материалов в конструкциях термоядерных мишеней с прямым и непрямым облучением. Основные результаты, полученные в ходе выполнения этого цикла работ, содержатся в публикациях [15-20].

Разработка и создание твердотельных лазерных систем высокой мощности

В ООИ ведутся инженерно-физические исследования, обеспечивающие разработку и создание мощных импульсных лазеров на неодимовом стекле для программы ЛТС и технологических применений. Основные усилия направлены на развитие и усовершенствование элементов лазерных систем, отвечающих за усиление лазерного излучения, коррекцию волнового фронта и преобразование частоты. Уже в 1974 году на базе выполненных в отделе работ по проектированию многоканальных лазерных систем [21] и разработок широкоапертурных оптических усилителей [22] создается и вводится в эксплуатацию лазерная установка "Мишень-2" (1-2 кДж в импульсе длительностью 2,5 нс на длине волны 1,06 мкм). В трехканальной лазерной системе этой установки использовались крупногабаритные активные элементы из силикатного неодимового стекла длиной 60-70 см с поперечным сечением (апертурой светового пучка) 24 х 4 см2.

В 1975 году был разработан концептуальный проект многоканальной лазерной установки "Мишень-3" с суммарной энергией лазерных пучков - 100 кДж. К сожалению, ни этот проект, ни разработанный в середине 80-х годов проект лазерной системы на фосфатном неодимовом стекле с расчетным значением энергии излучения 400 кДж в импульсах наносекундного диапазона реализовать не удалось. Тем не менее, опыт, накопленный коллективом сотрудников отдела при разработке, испытаниях и использовании крупноапертурных оптических усилителей и оптических элементов, определяющих требуемое высокое качество лазерных пучков, в последующие годы оказался востребованным и позволил успешно выполнить ряд исследований, весьма важных и полезных для развития технологии твердотельных лазерных систем высокой мощности.
По контрактам с Ливерморской Национальной Лабораторией им. Лоуренса (США) в интересах сооружаемого в настоящее время крупнейшего лазерно-термоядерного комплекса "NIF" (проектное значение суммарной энергии излучения в 192 лазерных пучках - 1,8 МДж в импульсах длительностью 15 нс на длине волны 0,35 мкм) на специально созданных в ГНЦ РФ ТРИНИТИ стендах были проведены следующие исследования:

	1.	Продемонстрирована возможность использования систем обращения волнового фронта для повышения качества лазерных пучков в лазерах МДж-ного класса, генерирующих импульсы наносекундного диапазона [23].
	2.	Изучен эффект перекрытия отверстия в диафрагме вакуумного пространственного фильтра плазмой, поступающей с краев отверстия, и выданы рекомендации по конструкциям и материалу диафрагм для пространственных фильтров, предусмотренных проектом установки "NIF".


		Фотография установки "Астра", использовавшейся в качестве испытательного стенда для проведения этих экспериментов [24].

Проведены испытания оптического усилителя, работающего схеме с Zig-Zag проходом лазерного пучка через крупногабаритный ромб Френеля из неодимового стекла играющего роль активного элемента [25].

На основе разработанных и созданных совместно с НИЭФА "дисковых" оптических усилителей с крупногабаритными активными элементами (световая апертура 20х20 см2) собраны и введены в

эксплуатацию оконечные усилительные каскады на лазерно-термоядерной установке "Хинган" в Китайской Народной Республике.

ГНЦ РФ ТРИНИТИ (Отдел Оптических Исследований) входит в кооперацию предприятий, участвующих в разработке и создании во ВНИИЭФ (г.Саров) мощных лазеров на неодимовом стекле (в настоящее время введена в эксплуатацию установка "Луч" и разрабатывается проект мощной многоканальной лазерной системы "Искра-6" с энергией до 300 кДж в импульсах наносекундного диапазона).

Коллектив Отдела Оптических Исследований занят усовершенствованием и испытаниями оконечных усилительных каскадов "дискового" типа с крупногабаритными активными элементами, а также разработкой методов юстировки многоканальных широкоапертурных оптических систем [26] и испытаниями импульсных ламп накачки.


Фотография оконечных усилительных модулей с крупногабаритными активными элементами, установленными на испытательном стенде в специально оборудованном помещении повышенного класса чистоты.

Из выполненных в ООИ исследований, направленных на развитие технологических лазеров, работающих в импульсно-периодическом режиме, наиболее важными являются: разработка технологии упрочнения активных элементов из неодимового стекла и изучение твердотельных лазерных систем, работающих в режиме накопления тепла. Первая из этих работ, выполненная по заказу Ливерморской лаборатории им. Лоуренса совместно с Институтом Радиоэлектроники РАН [27], позволила увеличить термостойкость стекла в 3-4 раза и, таким образом, значительно увеличить среднюю мощность лазеров, работающих в частотном режиме.

Предполагая использовать в экспериментах по взаимодействию излучения с мишенями ультракороткие импульсы высокой интенсивности, в ООИ изучается обращение волнового фронта чирпированных импульсов субпикосекундного диапазона при трехволновом взаимодействии в нелинейных кристаллах. Начаты также инженерно-физические исследования и разработки, обеспечивающие создание волоконных лазеров.

ПЕРСОНАЛИИ

ГОЛЬЦОВ Александр Юрьевич
Начальник отдела,
начальник лаборатории исследований импульсной плазмы,
доктор физико-математических наук.
Телефон: 334-05-23
E-mail: goltsov@triniti.ru
Персональная страница

ГАВРИЛОВ Валерий Васильевич
Начальник лаборатории исследования эмиссии плазмы,
доктор физико-математических наук.
Телефон: 334-05-23
E-mail: vvgavril@triniti.ru

СМИРНОВ Руслан Васильевич
Начальник лаборатории лазерной энергетики и оптики,
кандидат физико-математических наук.
Телефон: 334-53-87
E-mail: rvs@triniti.ru

КОВАЛЬСКИЙ Николай Григорьвич
Главный научный сотрудник,
начальник лаборатории лазерного нагрева,
доктор физико-математических наук.
Телефон: 334-05-23
Факс: (095) -334-50-56
E-mail: rvs@triniti.ru

ИЗБРАННЫЕ ПУБЛИКАЦИИ


1.	Alexandrov V.V., Anisimov S.I., Velikhov E.P., et al, "Investigation of Laser-Produced Plasma on "Mishen" Facilities", Proc of VI European Conf. on Plasma Phys, v.2, 407-412, (1974)
2.	Alexandrov V.V., Brenner M.V., Velikhov E.P., et al, "Experimental Study of Laser-Plasma Interaction on "Mishen-1" and "Mishen-2" Facilities", Nucl. Fusion Suppl., 15, 113-117, (1975)
3.	Александров В.В., Анисимов С.И., Бреннер М.В. и др., "Экспериментальные исследования возбуждения плазменных волн и механизмов генерации гармоник в плазме, создаваемой лазерным излучением", ЖЭТФ, 71, 5 (11), 1826-1838, (1976)
4.	Александров В.В., Вихарев В.Д., Зотов В.П., Ковальский Н.Г., Пергамент М.И., "Спектральные особенности гармоник 2w и 3/2w, генерируемых в создаваемой лазерным излучением плазме", Письма ЖЭТФ, 24, 10, 551-554, (1976)
5.	Александров В.В., Ковальский Н.Г., Силин В.П., "О генерации горячих электронов в плазме, создаваемой лазерным излучением", ЖЭТФ, 79, 3(9), 850-856, (1980)
6.	Александров В.В., Анисимов С.И., Ковальский Н.Г., Rubenchik A.M., Sрchur Л.Н., "О локальной температуре плазменной короны и измерениях интенсивности гармоники 3/2w с разрешением во времени", Письма ЖЭТФ, 37, 2, 68-70, (1983)
7.	Kovalsky N.G., Pergament M.I., Pashinin P.P., "Spherical Shell Implosion Simulation in Experiments with High-Power Laser Radiation Interacting with Thin Foils", Technical Digest of IAEA Meeting on ICF, San-Francisco, USA, January, 1978. (NRL Memorandum Report 3890 "Laser-Plasma Interaction and Ablative Acceleration of Thin Folis at 1012 -1014 W/cm2", was published only 29.12. 1978!)
8.	Бондаренко Ю.А., Бурдонский И.Н., Ковальский Н.Г. и др., "Экспериментальные исследования ускорения тонких фольг мощными лазерными импульсами", ЖЭТФ, 81, 1(7), 170-179, (1981).
9.	Анисимов С.И., Великович А.Л., Ковальский Н.Г., Либерман М.А., Пергамент М.И., "О возможности использования импульсных лазерных систем для формирования высокоскоростной кумулятивной струи", Письма ЖЭТФ, 41, 5, 191-194, (1985).
10.	Большов Л.А., Бурдонский И.Н., Великович А.Л. и др., "Ускорение тонких фольг, облучаемых мощным лазерным пучком", ЖЭТФ, 92, 6, 2060-2075, (1987).
11.	Velikovich A.L., Gavrilov V.V., Goltsov A.Yu., Kovalsky N.G., Liberman M.A., "Observations of Filaments, Jet Structures, and RT-Instability Development in Experiments on Laser Acceleration of Thin Foils", Laser and Particle Beams, 6, Pt 2, 327-334, (1988).
12.	Burdonsky I.N., Gavrilov V.V., Goltsov A.Yu. et al., Matter Acceleration in Laser-Irradiated Multifoil Systems", Phys. Fluids B, 4, 2596-2604, (1992).
13.	Burdonsky I.N., Gavrilov V.V., Goltsov A.Yu. et al., "Experimental testing of Thin Shell Acceleration for ICF Schemes with Direct and Indirect Drive", Laser and Particle Beams, 11, 127-135, (1993).
14.	Наши исследования по абляционному ускорению тонких фольг докладывались на всех конференциях ECLIM, проводившихся с 1980 года по 1990 год. Краткие содержания (Abstracts) докладов публиковались в трудах ECLIM.
15.	Burdonsky I.N., Vergunova G.A., Gavrilov V.V. et al. "X-ray Emission and Hydrodynamics of Laser-Produced Plasma in Low-Density Targets", Report Th P-28, p.277 in Abstracts of XII Int. Conf. on Laser Interaction and Related Phenomena, Osaka, Japan, April 24-28, (1995).
16.	Burdonsky I.N., Bugrov A.E., Gavrilov V.V. et al. "Specific Features of Absorption and Energy Transfer Processes in Low-Density Porous Targets Irradiated with Powerful Laser Pulses", Report Th P-32 in Abstracts of 24-th ECLIM, Madrid, Spain, (1996).
17.	Бугров А.Э., Бурдонский И.Н., Гаврилов В.В., и др., "Взаимодействие мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами", ЖЭТФ, 111, 4, 903-915, (1997).
18.	Бугров А.Э., Бурдонский И.Н., Гаврилов В.В., и др., "Поглощение и рассеяние мощного лазерного излучения в малоплотных пористых средах", ЖЭТФ, 115, 3, 805-818, (1999).
19.	Bugrov A.E., Burdonsky I.N., Gavrilov V.V., Goltsov A.Yu., Guskov S.Yu., Kovalsky N.G., Kondrashov V.N., Pergament M.I., Rozanov V.B., Zhuzhukalo E.V. a) "Investigation of Light Absorption, Energy Transfer, and Plasma Dynamic Processes in Laser-Irradiated Targets of Low Average Density", Laser and Particle Beams, 17, 415-426, (1999). b) "Interaction of Powerful Laser and X-ray Pulses with Porous Materials for Advanced ICF Targets Applications", in "Inertial Fusion Sciences and Applications 1999" editted by Ch. Labaune, W.Hogan, K.A.Tanaka (Elsevier, Paris, 2000, pp.154-157). c) "Characterization of Laser-Produced Plasma and Interaction Processes in Experiments with Porous Low-Density Targets" in "Inertial Fusion Sciences and Applications 2001" editted by K.A.Tanaka, D.D.Meyerhofer, J.Meyer-tez-Vehn (Elsevier, paris, 2002, pp.286-290). d) "Laser-Plasma Interaction in Experiments with Low-Density Volume-Structured Media on the "Mishen" Facility", Proc. of ECLIM 2002, 7-11 October 2002, Moscow, Russia (Proc. SPIE vol.5228, Bellingham, Wash. SPIE, 2003, p.815),
20.	Bugrov A.E., Burdonsky I.N., Gavrilov V.V. et al., "Diagnostics of Fast Processes in Laser Plasma after the Irradiation" of Low-Density Media on "Mishen" Facility", Plasma Physics Reports, 30, 2, 143-148, (2004).
21.	Burdonsky I.N., Zhuzhukalo E.V., Kovalsky N.G., Pergament M.I., Smirnov R.V., "High power output stages of a Nd:glass laser system for fusion applications", J.of Appl.Optics, 15, 6, 1450-1453, (1976).
22.	Bolshov L.A., Dikhne A.M., Kovalsky N.G., Pergament M.I., Chernyak V.M., "Choice of Multichannel Nd:glass laser system for Fusion Experiments", J.of Appl.Optics, 19, 6, 924-929, (1980)
23.	Eimerl D., Chernyak V.M., Pergament M.I., Sokolov V.I., Smirnov R.V., "Phase Conjugation in Short Pulse MJ-Class Lasers", Proc. SPIE, vol. 2633, 36-47, (1995).
24.	Bikmatov R.G., Chernyak V.M., Burdonsky I.N., Boley Ch.D., Goltsov A.Yu., "Pin-hole Closure in Spatial Filter of Large-Scale IVF Laser Systems", Proc. SPIE, vol. 3492, 510-523, (1999).
25.	Bikmatov R.G., Chernyak V.M., Hunt J.T., Pergament M.I., Smirnov R.V., "Active Fresnel Rhomb Zig-Zag Amplifier Design and Test", Proc. SPIE, vol. 3492, 264-276, (1999).
26.	Charikov A.V., Chernyak V.M., "Accuracy of Active Element Manufacturing and Regulation of Optical Component Positions in Amplification Channel of Power Laser System", J.Plasma Devices and Operations, vol 10, 1, 55-62, (2002).
27.	Albreht G.F., Izineev A.A., Kravchenko V.B., Pergament M.I., Chernyak V.M., "Strengthening of Laser Glass for ICF Driver", Proc. of the III Inter. Conf. On IFSA, 2003, Monterrey, CA, 543-547.