Ученым из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) удалось создать СО лазер, который может перестраиваться по более чем 400 спектральным линиям в диапазонах длин волн от 2,5 до 4 мкм и от 5 до 6,5 мкм. Такой лазер может стать уникальным спектроскопическим инструментом для обнаружения в атмосфере даже малых примесей наркотических, ядовитых и взрывчатых веществ, выявление которых является на сегодня весьма актуальной проблемой.

Идея создания такого лазера пришла группе физиков под руководством кандидата физ.-мат.наук Дмитрия Синицына еще в 2000 году. Дело в том, что спектральные диапазоны излучения СО лазера перекрывают те диапазоны, в которых расположены линии поглощения не только обычных веществ, таких как H₂O, CO₂, CH₄, NO₂, NO, ацетон, бензин, метанол и т.д., но и сильных загрязнителей, токсинов, взрывчатых и наркотических веществ. Но для того, чтобы подтвердить оправданность идеи, нужно было провести ряд расчетов. А они уже показали, что лучше всего для решения задач лазерного спектрального анализа многокомпонентных газовых смесей подходит обертонный (когда квант света излучается при переходе молекулы не на соседний колебательный уровень, а через один) СО лазер с криогенным охлаждением и накачкой высокочастотным разрядом.

Газовые лазеры, обладающие по своей «природе» узкой линией излучения, являются хорошим инструментом для спектрального анализа. Лазер же, действующий на обертонных колебательных переходах молекулы окиси углерода, дает возможность перестраиваться с одной излучаемой длины волны на другую. Высокочастотный (ВЧ) разряд позволяет относительно просто управлять параметрами накачки, например, переходить из непрерывного в импульсный режим излучения. Что касается криогенного охлаждения, то именно при охлаждении активной среды СО лазера до температуры ниже 77 К он имеет наилучшие выходные характеристики, – объясняет один из членов группы разработчиков нового типа лазера старший научный сотрудник лаборатории Газовых лазеров Отделения квантовой радиофизики ФИАН Леонид Селезнев.

Первые попытки совместить все эти «условия» генерации излучения в одной лазерной установке были предприняты в начале 2000-х годов. Тогда российскими физиками совместно с физиками из США и Германии была впервые экспериментально доказана возможность генерации излучения на обертонных переходах молекулы окиси углерода при возбуждении высокочастотным разрядом и последующим охлаждением до криогенных температур. До этого СО лазеры с накачкой высокочастотным разрядом исследовались только на слегка пониженной температуре и только на основных переходах. Эксперименты производились на немецкой установке, которая, несмотря на немалые размеры (со среднюю жилую комнату), перекочевала в США. Такие размеры были необходимы для получения криогенных температур, для чего требовались мощные и достаточно громоздкие вакуумные насосы.

Тем временем, вернувшись из командировки, российские физики продолжили исследования. И уже здесь, на территории родной лаборатории Газовых лазеров КРФ ФИАН, которой заведует профессор Андрей Ионин, впоследствии будет создан компактный лазер (объем активной среды около 25 мл), воплощающий первоначальную идею.

Компактного вида установки удалось достичь благодаря возбуждению высокочастотного разряда между двумя близко расположенными друг к другу электродами, то есть, так называемого, щелевого разряда. Так как зазор между электродами в этом случае небольшой, то, охлаждая их до криогенных температур жидким азотом, мы охлаждаем и газ, расположенный между ними. С такой геометрией мы можем вложить в газ энергию и при этом практически не нагреть его, – рассказывает Леонид Селезнев.

Однако получить идеальную установку, отвечающую всем требованиям и ожидаемым характеристикам не так-то просто. Это длительный процесс, требующий нескольких итераций модернизации. Например, для улучшения энергетических характеристик лазера в его активную среду добавляется кислород¹, но при работе с кислородом и низкими температурами в больших количествах вырабатывается и сжижается взрывоопасный озон.

Обычно электроды располагаются горизонтально щели, но при сильном охлаждении между ними сжижается газ, например, взрывоопасный озон, и выйти ему оттуда при таком расположении электродов практически невозможно. Поэтому было решено поставить электроды вертикально, тогда то, что сжидилось, уходит само собой, а из-за присутствия теплого воздуха еще и испаряется. И подобных модернизаций было еще очень много, – комментирует младший научный сотрудник той же лаборатории Андрей Козлов.

В настоящее время физики из ФИАНа в рамках проекта РФФИ занимаются проработкой в лабораторных условиях различных модельных задач и расчетами характеристик лазера для каждой конкретной задачи. Как показывают расчеты, длина трассы, на которой возможно обнаружение атмосферных примесей, и значение минимально обнаружимой концентрации примесного вещества, в первую очередь зависят от степени поглощения конкретной длины волны излучения в атмосфере. Так, расстояние для дистанционного зондирования атмосферы может достигать как нескольких метров, так и нескольких десятков километров.

¹ – Патент РФ N2354019 от 27.04.2009 «Активная среда для электроразрядного СО лазера или усилителя и способ ее накачки», А.А. Ионин, Ю.М. Климачев, А.Ю. Козлов, А.А. Котков, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын.