ИСТОРИЯ

Лаборатория №36 была образована в 1991 году. Основными задачами, поставленными перед ней, были традиционные задачи лазерной физики: исследование физики активных сред, разработка лазерных источников, исследование и разработка новых и совершенствование известных способов накачки лазеров, а также различные применения лазерных источников.

Первым заведующим лабораторией являлся д.ф.-м.н. П.А. Бохан, который и определил научное направление и тенденции развития лаборатории и который ныне является научным лидером лаборатории.

C 1998 года заведующим лаборатории является Закревский Дмитрий Эдуардович.

В последние годы основные работы лаборатории касались: физики активных сред (исследование физических эффектов энергетического воздействия на активные среды, как газовые, так и твердотельные; создание физико-технических основ, исследование и реализация лазерных источников); фундаментальных вопросов физики газового разряда; вопросов взаимодействия излучения с веществом (воздействие с целью получения изотопически модифицированных материалов для применения в ядерной энергетике, микроэлектронике и медицины). Из всей совокупности работ, проводимых в лаборатории, можно выделить только несколько перспективных направлений, с которыми лаборатория связывает свое будущее:

  1. Исследование методов генерации заряженных частиц в газах в качестве перспективного метода возбуждения газовых и твердотельных лазеров, а именно «открытого разряда» - специфической формы аномального газового разряда, который реализуется в узком ускорительном зазоре между холодным сплошным катодом и перфорированным анодом. При горении разряда в этом промежутке благодаря эффекту убегания электронов (в сильном электрическом поле быстрые частицы (электроны) на длине свободного пробега приобретают энергию от поля больше, чем теряют её в неупругих соударениях) формируется пучок электронов, который через анод (сетка с высокой прозрачностью) проникает в пространство за анодом и возбуждает лазерную активную среду (газовую или твердотельную). В различной геометрии (планарной, коаксиальной, «сандвич» со встречными электронными пучками) в газах среднего давления (до 100 Торр) получена генерация низкоэнергетичных (до 25 кэВ) интенсивных электронных пучков (ток электронного пучка до 26 кА, плотность тока 500 А/см2) с эффективностью > 95% при условии, что превалирующим механизмом эмиссии электронов с катода является фотоэмиссия [P.A. Bokhan, Dm.E. Zakrevsky, P.P. Gugin, Physics of Plasmas, 18, 103112 (2011)]. Электронные пучки получены во всех инертных газах, парогазовых смесях (инертный газ + пары металлов) и смесях с молекулами (Н2, Н2О, СО2, N2, O2, NH3, N2O и т.д.) [P.A. Bokhan, Dm.E. Zakrevsky, Appl Phys Let, 97, 091502 (2010); Е.В. Бельская, П.А. Бохан, Д.Э. Закревский, М.А. Лаврухин, Квантовая электроника, 42, 99 (2012)]. Необычными свойствами таких пучков является независимость ВАХ в большом диапазоне от давления рабочего газа и существование неустойчивого динамического состояния электронного пучка из-за наличия избыточного некомпенсированного объёмного заряда пучка. Развитие колебаний ограничивает мощность и энергию пучков и, соответственно, является лимитирующим фактором их использования.

    При объяснении механизмов высокоэффективной генерации электронов в малых ускорительных промежутках была выдвинута концепция изменения механизма фотоэмиссии в условиях контакта поверхности холодного катода с газом (плазмой). Она заключается в том, что в условиях газового разряда сначала происходит поглощение резонансных фотонов, излученных возбужденными в резонансное состояние атомами инертного газа, имплантированными в катод или адсорбированными его поверхностью атомами рабочего газа, а затем происходит быстрая дезактивация возбужденных атомов в Оже-процессах с выходом электронов. Принципиальным моментом является именно резонансный характер воздействия ВУФ излучения на атомы мишени. В результате этого для резонансного излучения атомов коэффициент фотоэмиссии в газе может возрасти по сравнению с величиной, измеренной в вакуумных условиях. Экспериментальное измерение коэффициента фотоэмиссии в условиях функционирования различных газовых разрядов дало величину для резонансной линии гелия 54 нм γ ≈ 0.3, что на порядок превышает принимаемуе в расчётах величину фотоэмиссии [П.А. Бохан, Д.Э. Закревский. ЖТФ, 77(1), 109 (2007).]. Прямые эксперименты по сравнительному изучению тока фотоэмиссии под действием ВУФ излучения резонансных линий ксенона и криптона с поверхности твердого тела в вакууме и при контакте поверхности мишени с газом (плазмой) продемонстрировано, что в условиях адсорбции (или имплантации) атомов газа в мишень при резонансном характере воздействия на них ВУФ излучения фотоэмиссионный отклик значительно (до порядка величины) возрастает. Это явление можно характеризовать термином «индуцированная адсорбцией и имплантацией резонансная фотоэмиссия» [П.А. Бохан, Д.Э. Закревский, Письма в ЖЭТФ, 96(2), 139 (2012); P.A. Bokhan, D.E. Zakrevsky, Phys.Rev. E. 88, 013105 (2013)]. Значимость этих исследований высока, потому что традиционные представления о роли фотоэмиссии в газовом разряде отводят ей незначительную роль. Принятие новых знаний о фотоэмиссии требует пересмотра некоторых представлений в физике газового разряда и появление иных возможностей в создании эффективных генераторов заряженных частиц, генераторов плазмы и т.д. Например, в «открытом разряде» с катодной полостью, в котором осуществляется блокировка тока ионов на катод, [P.A. Bokhan, Dm.E. Zakrevsky, Appl Phys Let, 81, 2526 (2002), П.А. Бохан, Дм.Э. Закревский. Физика плазмы, 32, 853 (2006)] эффективность генерации электронных может достигать 99%. Другим способом увеличения эффективности является увеличение апертуры разряда [А.П. Бохан, П.А. Бохан, Дм.Э. Закревский, Письма в ЖТФ, 29(20), 81 (2003); ibid. 33(19), 87 (2007); ibid. 36(14), 26 (2010), A.P. Bokhan, P.A. Bokhan, Dm.E. Zakrevsky, Appl Phys Let, 86, 151503 (2005), E.V. Belskaya, P.A. Bokhan, Dm.E. Zakrevsky, Appl Phys Let, 93, 091503 (2008) и др.], что приводит к усилению фотоподсветки пропорционально квадрату диаметра и преобладанию фототока над током ионов на катод.

    Результаты разработки и исследований генераторов электронных пучков на основе «открытого разряда» позволило приступить к возбуждению твердотельных и газовых лазерных активных сред.

  2. При изучении электронно-пучкового возбуждения газовых лазеров на примере гелиевого лазера (самоограниченный переход (21P10-21S0), λ = 2.056 мкм) впервые обоснован и реализован новый метод получения столкновительного режима лазерной генерации при совокупном действии двух универсальных для атомов механизмов девозбуждения нижнего рабочего состояния: в столкновениях с молекулярными газами и с плазменными электронами, эффективно остывающими в соударениях с полярными молекулами газов. В чистом гелии типичная длительность генерации составляет ~ 50 нс. Введение CO2, N2O, NH3 и H2O увеличивает скорость релаксации населённостей метастабильного состояния He(21S0), уменьшает задержку времени восстановления генерации во втором импульсе вплоть до слияния импульсов генерации при добавлении H2O. При возбуждении импульсом длительностью 1.2 мкс в смесях гелия с NH3 и H2O получена генерация длительностью ~ 0.8 мкс, что свидетельствует об осуществлении столкновительного квазинепрерывного режима. [П.А. Бохан, Квантовая электроника, 41, 110 (2011); E.V. Belskaya, P.A. Bokhan, D.E. Zakrevsky, M.A. Lavrukhin IEEE J of Quant Electr, 47, 795 (2011); E.V. Belskaya, P.A. Bokhan, D.E. Zakrevsky, M.A. Lavrukhin, Optics Comm. 284, 4961 (2011); Е.В. Бельская, П.А. Бохан, Д.Э. Закревский, М.А. Лаврухин, Квантовая электроника, 42, 99 (2012).] Таким образом, осуществлён перевод генерации из самоограниченного в столкновительный режим новым методом, нереализованным ранее, что открывает возможность получения столкновительной генерации на других рабочих средах, в том числе и в видимом диапазоне.

    Рис. 1. Внешний вид газового лазера с электронно-пучковым возбуждением (Ne - Tl II, лазерная генерация на λ = 595 нм).

  3. Накачка твердотельных структур электронными пучками позволяет возбуждать рабочие среды независимо от ширины их запрещённой зоны и, соответственно, получать лазерную генерацию в широком спектральном диапазоне, в том числе УФ-диапазонов спектра.

    Первоначально исследована возможность электронно-пучковой накачки кристаллов CdS, ZnSe. Разработан газовый генератор электронного пучка для возбуждения полупроводниковых структур с энергией электронов до 25 кэВ, и током до 1 кА. Геометрия катодного узла приводит к генерации сходящегося электронного пучка и к получению в области оси камеры пучка электронов, фокусируемого в полоску c длиной 25 мм и шириной 0.5...1 мм.

    Рис. 2. Внешний вид генератора электронного пучка на основе «открытого разряда».

    При возбуждении CdS получена ранее известная лазерная генерация в области коротковолновой полосы с центром при λ1 ≈ 515 нм, которую считают результатом межзонного перехода из возбужденных состояний зоны проводимости в свободные состояния валентной зоны. В спектре излучения помимо λ1 присутствует и второй пик λ2 ≈ 535 нм, который зарегистрирован впервые, а её мощность лишь в ~ 1.5 раза меньше, чем в коротковолновом диапазоне. Интересно отметить, что её спектральный диапазон начинается вблизи границы прозрачности кристалла (~ 524 нм) и заканчивается уже в области высокой прозрачности (~ 555 нм), где коэффициент поглощения составляет всего 0.15 см-1. Поэтому она хорошо проходит сквозь невозбуждённую часть кристалла. Данную полосу необходимо связывать с излучением электронно-дырочной плазмы. Эта плазма образуется в приповерхностном слое кристалла толщиной порядка глубины проникновения электронов при мощной накачке, обеспечиваемой в условиях наших экспериментов. Аналогичные результаты получены и при возбуждении ZnSe с соответствующими λ1 ≈ 468 нм и λ2 ≈ 483 нм [П.А. Бохан, П.П. Гугин, Дм.Э. Закревский, В.И. Соломонов, А.В. Спирина, Письма в ЖТФ, 37(17),65 (2011)].

    Полученные результаты позволили приступить к исследованию воздействия электронного пучка на широкозонный полупроводник AlxGa1-xN, люминесценция которого зависит от величины x в широком диапазоне длин волн. Кроме того, соединение AlxGa1-xN значительно более устойчиво к воздействию больших потоков энергии, достижимых при электронно-пучковой накачке. Целью являлось исследование люминесцентных и генерационных свойств AlxGa1-xN/AlN структур с различной степенью легирования при возбуждении электронными пучками применительно к созданию на этой основе светоизлучающих структур для источников излучения когерентной и некогерентной природы. Исследовались образцы AlxGa1-xN с параметрами x=0...0.7 и с концентрацией свободных электронов n ≈ 1017 ÷ 1020-3. Использовались два типа генераторов электронных пучков с различной геометрией катодных узлов, которые приводят к генерации сходящегося пучка и к получению в области оси камеры пучка электронов, фокусируемого соответственно в точку или в полоску. Источник электронного пучка обеспечил параметры: энергия до 25 кэВ, ток до 1 кA, длительность тока τ = 10...1000 нс; частота следования импульсов f = 0.01...3 кГц. Из всех результатов проведенных исследований можно выделить то, что при возбуждении в спектре люминесценции сильно легированным кремнием соединений AlxGa1-xN с x > 0.42 возникает ранее не наблюдавшаяся широкая полоса излучения, охватывающая весь видимый и ближний ИК-диапазон спектра. При преимущественной в одном направлении накачке возникает сверхсветимость с модовой структурой, характерной для планарных волноводов. Полученные результаты могут служить основанием для разработки широкополосных излучающих лазеров, светодиодов, для перестраиваемых в большом диапазоне длин волн лазеров, а также лазеров фемтосекундного диапазона. Полученная ширина полосы излучения (330 ТГц) в 1.5 раза превышает полосу излучения наиболее широкополосного Ti – сапфирового лазера. Не видно принципиальных ограничений для получения полосы ~ 500 ТГц и, соответственно, получения длительности импульса излучения ~ 1 фс (10-15 с).

    Рис. 3. Свечение AlxGa1-xN структуры при возбуждении электронным пучком.

  4. Результаты исследования физических процессов в малых ускорительных промежутках при сильных перенапряжениях электрического поля позволили провести исследования нового принципа коммутации высоковольтных импульсов с фронтом нарастания менее 1 ns с высокой частотой следования и применить устройства на этой основе для возбуждения лазеров. Он основан на создании условий появления высокопроводящего состояния разрядного устройства за счёт генерации в нём электронного пучка. В основе лежат особенности функционирования «открытого разряда», а именно, процессы формирования не требуют крутого фронта нарастания напряжения; существует значительная задержка между приложением напряжения к разрядному промежутку и развитием тока через него и длительность коммутации напряжения в разряде на два порядка короче времени нарастания напряжения на нём и определяется процессами в разрядном промежутке. Эксперименты показали, что в устройствах коаксиальной геометрии на активной нагрузке 50 Ω при напряжении U = 20 кВ достижимы минимальные времена коммутации ~ 450 пс. Продемонстрирована возможность функционирования разрядного устройства в частотном режиме в смеси He-H2, по крайней мере, до 30 кГц. В плоской геометрии в кювете со встречными электронными пучками (устройство представляет собою разрядную структуру типа «сандвич», состоящую из двух идентичных ускорительных зазоров с плоским катодом и общим анодом – сеткой с геометрической прозрачностью ~ 98%) в гелии получено время коммутации 400 пс при напряжении 20 кВ. Достигнута амплитуда тока 28 кА при рекордной скорости его нарастания до 3.7 × 1013 A/с. Диапазон частот следования импульсов до 40 кГц. Изучен механизм перехода коммутатора в высоко проводящее состояние, в основе которого лежит фотоэмиссия под действием резонансного излучения быстрых атомов. Высокая прозрачность анода, осциллирующий характер движения электронов приводит к тому, что значительная часть энергии ускоренных электронов выделяется в ускорительных зазорах, приводя к интенсивной ионизации рабочего газа. Ионы дрейфуют в сильном электрическом поле, и в результате резонансной перезарядки приводят к появлению большого числа быстрых атомов. В свою очередь, быстрые атомы, сталкиваясь с атомами с тепловой энергией, передают ему часть импульса и одновременно возбуждают его. С одинаковой вероятностью возбуждается и налетающий атом. Вследствие эффекта Доплера излучение быстрых атомов без реабсорции практически мгновенно достигает катода, вызывая фотоэмиссию новых электронов. Процесс развивается экспоненциально, и устройство переходит в высоко проводящее состояние [П.А. Бохан, П.П. Гугин, М.А. Лаврухин, Дм.Э. Закревский, Письма в ЖТФ, 38(8), 63 (2012); P.A. Bokhan, P.P. Gugin, M.A. Lavrukhin, D.E. Zakrevsky, Physics of Plasma, 20, 033507 (2013); П.А. Бохан, П.П. Гугин, Дм.Э. Закревский, М.А. Лаврухин, Письма в ЖТФ, 39(17), 85 (2013)].

    Рис. 4. Внешний вид высоковольтного коммутатора.

    Применение коммутатора, обеспечивающее фронт импульса напряжения ~ 1 нс для возбуждения газоразрядных лазеров (на примере лазера на парах меди) показало, что происходит изменение характера частотно-энергетических характеристик (практически линейное возрастание средней мощности генерации до 30 кГц при постоянстве энергии импульсной энергии излучения) вследствие нейтрализации влияния начальной концентрации электронов на энергетические характеристики лазера на парах меди. Эти результаты открывают новое направление в изучении газоразрядных лазеров – исследование механизмов создания инверсии населённостей при субнаносекундных фронтах импульса возбуждения [П.А. Бохан, П.П. Гугин, Дм.Э. Закревский, М.А. Казарян, М.А. Лаврухин, Н.А. Лябин, Квантовая электроника, 43, 715 (2013)].

  5. Накопленный опыт работы с различными лазерными источниками и понимание физики взаимодействия излучения с веществом позволил развить работы по лазерному разделению изотопов для различных применений, в первую очередь для современной микроэлектроники.

    Был создан компьютерно управляемый крупномасштабный комплекс по лазерному разделению изотопов, позволяющий проводить физико-химические исследования взаимодействия излучения с веществом и процессов разделения в условиях, максимально приближенным к реальной наработке продукта. Мощностные параметры лазерной системы таковы: средняя суммарная мощность лазеров накачки (газоразрядных лазеров на парах меди) до 200 Вт; средняя суммарная мощность узкополостных перестраиваемых по длине волны лазеров (диапазон (580 ÷ 615) нм) на растворах органических красителей до 25 Вт; средняя суммарная мощность УФ-излучения (второй гармоники лазеров на красителях) в диапазоне (290 ÷ 308)нм до 6 Вт. [П.А. Бохан, Д.Э. Закревский, С.А. Кочубей, А.Ю. Степанов, Н.В. Фатеев. Перестраиваемая узкополосная ультрафиолетовая лазерная система с накачкой лазером на парах меди, Квантовая электроника т. 31, № 32, 132 - 134, (2001)]. Комплекс оснащён разделительными камерами, в которых исследуются различные физические и физико-химические методы экстракции весовых количеств селективно возбуждённых атомов и молекул. Получение мощного перестраиваемого узкополосного излучения в УФ-области спектра позволило впервые исследовать возможность крупномасштабной изотопически веществ, представляющих интерес для современной микроэлектроники методами лазерной техники. В частности, разработана лазерная фотоионизационная технология получения низкорадиоактивного свинца, необходимого элемента припоя в микрочипах элементов памяти, позволяющая получать свинец, освобождённый от радиоактивного изотопа свинца 210Pb, с уровнем α-активности ниже 0.001 α-распад/см2час. [П.А. Бохан, Крупномасштабный комплекс по лазерному разделению изотопов для нужд микроэлектроники. Сборник докладов 4 Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул», стр. 115-120. Звенигород, (октябрь 1999)]. Развитие этих работ привело к разработке технологии получения весовых количеств изотопически чистого цинка (66Zn) для применения в атомной энергетике. Реализовано высокоэффективное лазерное разделение изотопов для случая, когда изотопные сдвиги в атоме значительно меньше доплеровской ширины. Возбуждение атомов осуществлялось за счёт двухфотонного поглощения двух встречных волн с малой отстройкой от промежуточного состояния, благодаря чему возбуждаются все «нужные атомы». Разделение происходит в результате фотохимической реакции селективно возбуждённого изотопа цинка с молекулой СО2, скорость которой на 3 ÷ 5 порядков больше, чем для невозбуждённых атомов. [П.А. Бохан, В.В. Бучанов, Д.Э. Закревский, А.Ю. Степанов, Н.В. Фатеев. Высокоэффективное разделение изотопов Zn в фотохимической реакции с использованием двухфотонного возбуждения, Письма в ЖЭТФ т. 71, в. 12, стр. 705-709. (2000)]. Проведено разделение изотопов цинка с производительностью 0.6 г/час. В последующем был экспериментально реализован новый метод лазерного разделения изотопов цинка и рубидия, основанный на селективном «выжигании» возбуждённых атомов в потоке с буферным газом и газом-реагентом. Селективное возбуждение изотопа проведено однофотонным способом с использованием слабых линий поглощения и на краю доплеровского контура поглощения атомов с малой величиной изотопного сдвига. Основное его преимущество перед ранее используемым состоит в однофотонном методе возбуждения и высокой концентрации разделяемых изотопов в камере разделения. [П.А. Бохан, Д.Э. Закревский, Н.В. Фатеев. Селективное фотохимическое «выжигание» изотопа при взаимодействии резонансного лазерного излучения с атомами, Письма в ЖЭТФ т. 75, в. 4, стр. 202 –205 (2000)].

Рис. 5. Основные сотрудники лаборатории (стоят, слева направо: м.н.с. П.П. Гугин, с.н.с. Н.В. Фатеев, м.н.с. В.А. Ким, асп. М.А. Лаврухин. Сидят: в.н.с. А.Р. Сорокин, г.н.с. П.А. Бохан, м.н.с. Е.В. Бельская, зав.лаб. Дм.Э. Закревский.