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

для технологии и локационных систем, в т.ч. лазеры с управляемой диаграммой направленности
Твердотельные перестраиваемые лазеры среднего ИК-диапазона длин волн

Направления работ

Твердотельные лазеры

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 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

Теория

ИНСТИТУТ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ
Научное отделение ФГУП «НПК «ГОИ им С.И.Вавилова»

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.

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.

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

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

7 мДж Длительность импульса < 25 нс
Частота следования импульсов 1 Гц Расходимость излучения
(после телескопа) 0.5 мрад

Точность измерения дальности ± 5 м
Дальность не менее 10 км
Температурный диапазон - 40ºС ….+ 80ºС
Вибрации 200 …..2000 Гц
Удар до 500 g, 5 мс

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

сухопутной техники

Энергия генерации в частотном режиме

Распределение излучения в дальней зоне

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

Дальномер

окружающей среды
дистанционное зондирование

две длины волны генерации
высокая частота следования импульсов
воздушное охлаждение
высокоэффективная диодная накачка
жесткие условия эксплуатации

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

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.

Основные направления работ:

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

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

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

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.

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

Ожидаемые параметры лазера:

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

излучения ~ 1,3 DL

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.

3 Дж /100 Гц
Nd:YAG лазер

К.п.д. ~ 2,4% («электричество – свет»)
(В режиме модулированной добротности при F=100 Гц!)

Ресурс до замены ламп накачки >108 имп.
Стабильность энергии < 1%

Базовый модуль нового поколения ТТЛ

(за 100 имп) <1% (СКО)
временная стабильность энергии (за 25 мин)<2% (СКО)

расходимость выходного излучения: θ ~ 1,3 DL

10-4 рад

3 Дж /100 Гц Nd:YAG лазер
Результаты испытаний

ближнее поле:

дальнее поле:

Nd:YAG лазер

=> Высокая точность сведения пучков

Задающий генератор

Усилитель
3 Дж @ 100 Гц

ОВФ

ОВФ

Усилитель
3 Дж @ 100 Гц

E ~ 5 мДж

Выходная апертура ∅Σ ~ 100 мм

λ = 1064 нм
E = 12 Дж @ 100 Гц
τ ~ 10 нс
Θ < 10-4 рад

Лазерная система высокой мощности (12 Дж/100 Гц)

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)

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 и внедрение новых лазерных технологий обработки элементов газотурбинных двигателей для повышения их удельной мощности и ресурса

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.

Разработка нового поколения мощных 3-8 мкм твердотельных ПГС лазеров

суспензиях углеродных наночастиц в софокусных системах

В двухкаскадной схеме с дополнительным элементом на основе полупроводниковых наночастиц порог ограничения 10-9 Дж

Однокаскадная схема
Макет защитной насадки
на снайперский прицел

Двухкаскадная схема
Макет командирской зрительной трубы
с ограничителем ЛИ

Параметры:

спектральный диапазон 0.3-1.3 мкм
порог ограничения 5·10-6 Дж
динамический диапазон > 104
временной отклик ~ 3 нс
время восстановления 1 с
цветовой комфорт

из цветного стекла ОС-12
просветляющие покрытия на оптических поверхностях

высокая лучевая стойкость
независимость ослабления ЛИ от углов падения
существенное снижение бликования
отсутствие сложных технологических элементов

Средства индивидуальной защиты глаз

Особенности:

От сверхмощного широкополосного светового излучения

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

От силового лазерного излучения

высокое пропускание

импортонезависимые технологии

Состав защитных очков:

электроуправляемые ЖК – элементы
схема управления с фотодетектором

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

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%

Функциональные задачи:

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.

~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

Ключевые лазерные и оптические технологии
для EUV литографии

Создание источника EUV излучения (λ = 13,5 нм) и дифракционно-ограниченной оптической системы для литографической установки с высокой производительностью печати интегральных схем

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 дифракционного качества изображения

Профиллограмма поверхности
EUV зеркала

300 мм - вогнутое зеркало объектива

EUV лазерно-плазменный источник

EUV оптическая система с технологической нормой печати 10-30 нм

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

Результаты экспериментов по динамической голографической коррекции изображения в телескопической системе с мембранным главным зеркалом, работающей в некогерентном свете (ширина спектра 50 нм)

Изображение, искаженное мембранным зеркалом

Скорректированное изображение

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 Δν/ν ~ 10-12.

В настоящее время проводятся теоретические работы по поиску путей создания малогабаритных и переносных вторичных стандартов частоты лазерного излучения с уровнем стабильности
до Δν/ν ~ 10-13 – 10-14

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

Оптические солитоны - структуры излучения с неменяющейся в процессе эволюции формой из-за баланса между линейными и нелинейными факторами

Распределение интенсивности излучения для двух сильно связанных вихревых лазерных 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

Поперечное распределение интенсивности излучения лазера при формировании комплекса из семи связанных солитонов.

Оптические солитоны