Со 2-ого по 9-ое сентября на острове Русский в Приморье проходит неделя саммита АТЭС (Азиатско-Тихоокеанского экономического содружества). В рамках саммита стартовала научно-техническая выставка «История русских инноваций», одну из ключевых позиций на которой занимают экспонаты Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН).

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН является одним из крупнейших и старейших научно-исследовательских центров России, целая плеяда сотрудников которого была удостоена наиболее престижной в науке награды – Нобелевской премии: И.Е.Тамм, П.А.Черенков, И.М.Франк, Н.Г.Басов, А.М.Прохоров, А.Д.Сахаров, В.Л.Гинзбург.

Работы, проведенные в стенах института, внесли вклад практически во все области современной физики. С именами ученых ФИАН связаны многие важные результаты и открытия. Это комбинационное рассеяние, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, закон Вавилова, уровни Тамма, эффект Вавилова-Черенкова, эффект Франца-Келдыша, уравнение Гинзбурга-Ландау, концепция мюонного катализа ядерных реакций, основы управляемого термоядерного синтеза и термоядерного оружия, создание мазеров и лазеров, принцип лазерного термоядерного синтеза, концепция гибридного ядерного реактора, вклад в разработку первых отечественных транзисторов, и многие другие открытия. Именно поэтому организатор выставки «История русских инноваций» – Политехнический музей – обратились в ФИАН в первую очередь.

На выставку в числе экспонатов от ФИАН отправились компактный волоконный фемтосекундный эрбиевый лазер, прототип квантового оптического генератора для мощных лазерных установок, образцы термоэлектрических модулей (элементы Пельтье), образцы высокотемпературных сверхпроводников, монокристаллы соединений A2B6, тигель от ростовой установки для роста фианитов и другие.

Что касается лазерной тематики и первых двух из перечисленных выше экспонатов, то предыстория здесь такова. В 1954 году в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым был создан первый в мире мазер, то есть первый квантовый генератор радиоволн. Создание мазера послужило толчком к поиску сред и способов накачки для реализации лазера. Честь оказаться пионером выпала американскому исследователю Теодору Мейману; именно он в мае 1960 года запустил первый в мире лазер на искусственном кристалле. Тем временем, Николай Геннадьевич Басов, как лидер лазерной тематики в Советском Союзе, вовлек многих своих коллег в работу по созданию первого лазера; среди них – сотрудники лаборатории люминесценции ФИАН М.Д. Галанин, А.М. Леонтович и З.А. Чижикова. Спустя всего пять месяцев после публикации Т. Меймана, в группе М.Д. Галанина заработал первый советский лазер на кристалле рубина с длительностью импульса 10^-6 секунды.

Со временем появлялись новые типы лазеров, увеличивалась их мощность, сокращалась длительность импульсов. В 70–80 годы XX века большое количество ученых работали над тем, чтобы приблизиться к длительности лазерного импульса в 10^-15 секунды, то есть получению фемтосекундного лазера.

Под руководством доктора физ.-мат. наук Петра Георгиевича Крюкова в 1982–83 годах в ФИАНе был создан первый в СССР непрерывный фемтосекундный лазер на красителях.

На сегодняшний день фемтосекундные лазеры являются наиболее перспективными в целом ряде областей применения. Они используются во многих областях физики, биологии, медицины и других естественных наук, а также в таких прикладных сферах, таких как тестирование телекоммуникационного оборудования, многофотонная микроскопия, параметрическая генерация, метрология оптических частот и др. Здесь используются довольно дорогостоящие фемтосекундные установки, например, титан-сапфировые лазеры, требующие наличия стабильной и мощной системы накачки. Однако современная электроника стремится к миниатюризации и удешевлению производства. Сегодняшний путь миниатюризации фемтосекундных лазеров связан с использованием в качестве активной среды оптического волокна из стекла с примесями ионов редкоземельных металлов.

Рис. 1.

Компактный волоконный фемтосекундный эрбиевый лазер PeRL – выпущен спин-офф компанией Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) ООО «Авеста-Проект». Этот фемтосекундный волоконный лазер легко умещается даже на ладони. В качестве активной среды здесь используется эрбиевое оптическое волокно. Все элементы лазера составляют неразборную конструкцию, что обеспечивает высокую надежность работы. Он может применяться в составе сложных систем, например, как задающий генератор для усилительных систем или отдельно, как самостоятельный источник импульсов, например, для лабораторных работ.

Рис. 2.

В конце 1960-х годов Н.Г.Басовым и О.Н.Крохиным была впервые высказана возможность использования лазера для инициирования управляемой термоядерной реакции. Это послужило основой развития экспериментальных работ в области создания мощных лазеров для управляемого термоядерного синтеза. В 1971 году впервые в мире была запущена установка для сферического нагрева мишеней с термоядерным топливом – 9-пучковый лазер «Кальмар».

Следующим шагом в развитии этих работ явилось создание 108 пучковой лазерной термоядерной установки «Дельфин», на которой был выполнен большой цикл экспериментальных исследований, в частности, была зарегистрирована скорость сжатия оболочечной мишени 250 км/с. До 1985 года мировой приоритет в исследованиях в этой области принадлежал Физическому институту Академии наук.

Представленный ФИАНом исторический экспонат – головка двухлампового твердотельного оптического квантового генератора установки «Кальмар», которая является основной частью задающего генератора. Данный образец был создан в ФИАНе в 1969–1970 гг. в Лаборатории Квантовой радиофизики под руководством. Н.Г. Басова, бережно хранился последующими сотрудниками лаборатории и отправился на Русский остров.

Также с лазерной тематикой изначально связаны и представленные на выставке монокристаллы соединений A2B6. Технология получения этих кристаллов из паровой фазы была развита в ФИАНе в связи с запуском Н.Г. Басовым, О.В. Богданкевичем и А.Г. Девятковым в 1964 году первого в мире лазера на кристалле CdS при накачке электронным пучком. Второй важной мотивацией развития данной технологии послужило изобретение Н.Г. Басовым, О.В. Богданкевичем и А.С. Насибовым в 1967 году Лазерной электронно-лучевой трубки, перспективной для лазерного телевидения и оптической коммутации волоконных линий связи.

Рис. 3.

В настоящее время область применения данных кристаллов, выращиваемых в ФИАНе в Лаборатории лазеров с катодно-лучевой накачкой, существенно расширена. Чистые кристаллы ZnSSe используются в качестве подложек для эпитаксиального роста различных гетероструктур соединений А2В6, в том числе и для светодиодов. Монокристаллы, легированные изоэлектронной примесью, такие как ZnSe:Te, CdS:Te и другие, имеют более высокую чувствительность к рентгеновскому излучению, чем другие известные сцинтилляторы и перспективны для использования в медицинских томографах и системах досмотра багажа пассажиров. Также важным применением последних лет стало использование кристаллов А2В6, легированных ионами переходных кристаллов, для реализации лазерной генерации в среднем инфракрасном диапазоне спектра (2–6 мкм). Такие лазеры перспективны для использования в медицине, спектроскопии, метрологии, системах контроля загрязнения атмосферы, противодействия террористическим угрозам летательных аппаратов и других областях науки и техники.