Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 4

С 10 по 15 сентября 2023 г. в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (г. Томск) состоялась XVI Международная конференция по импульсным лазерам и применениям лазеров AMPL-2023. Ее тематика охватывает вопросы физики и техники лазеров, поиска и исследования новых сред, пригодных для получения лазерного излучения, разработки и использования систем и приборов на основе лазерного излучения, преобразования оптического излучения. С 1992 г. и по сей день Конференция привлекает к участию как ученых с мировыми именами, так и молодых исследователей, делающих первые шаги в науке. Расширяется ее тематика, появляются новые секции, отвечающие современному состоянию фотоники. Организационный комитет состоит преимущественно из молодых ученых, что позволяет сохранять особую атмосферу конференции. Организаторами в 2023 г. выступили ИОА СО РАН, ИСЭ СО РАН, НИ ТГУ, которые внесли весомый вклад не только в подготовку, но и в научную повестку Конференции. Научная программа AMPL-2023 включала в себя 76 устных и 101 стендовый доклад. Общее количество участников составило 130 человек. Программа состоит из девяти секций, которые регулярно актуализируются, следуя современным тенденциям в науке. С 2009 г. в рамках Конференции проводится Школа для молодых исследователей AMPL-School. Участники представляют результаты своих исследований, получают обратную связь от опытных ученых. Всего в рамках AMPL-School-2023 было сделано 14 устных и 15 стендовых докладов, лучшие из которых отмечены дипломами и памятными призами от спонсоров. На пленарной секции Конференции были представлены работы исследователей из различных стран - России, Китая, Сербии, Азербайджана, Германии, США. Кроме того, в рамках каждой из девяти секций приглашенные докладчики знакомили научную общественность с наиболее интересными результатами в соответствующих областях. Следует отметить, что AMPL традиционно поддерживают компании, специализирующиеся на разработке и поставке научного оборудования, что позволяет проводить ее на высоком уровне. Также это дает возможность участникам Конференции познакомиться с современным оборудованием и некоторыми достижениями в этой области. В 2023 г. спонсорами AMPL выступили «Специальные системы. Фотоника», АО «ЛЛС», НВП «Топаз», группа компаний «Научное Оборудование», «Азимут Фотоникс». Информационную поддержку оказали журналы «Оптика атмосферы и океана» и «Фотоника». Для знакомства научной общественности с результатами работ в области фотоники была предусмотрена возможность публикаций материалов в нескольких сборниках. В частности, аннотации докладов и русскоязычные статьи по материалам докладов опубликованы в сборнике тезисов Конференции и доступны в электронном виде на сайте конференции. Англоязычные расширенные статьи вошли в сборник Proc. SPIE. Vol. 12920. 2023. XVI International Conference on Pulsed Lasers and Laser Applications, а также в настоящий выпуск.

Развитие лазерных технологий приводит к повышению требований, предъявляемых к разрабатываемым лазерам, генерирующим узкополосное излучение с различными длинами волн. Повышается значимость использования перестраиваемых по длинам волн диодных и вибронных лазеров, имеющих широкополосные контуры усиления. В работе показана возможность формирования в твердотельном лазере на александрите высококогерентного излучения при использовании оригинального составного резонатора, включающего в себя дополнительный внешний дисперсионный резонатор. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению условий формирования в таком резонаторе узкополосного (менее 20 пм) излучения с возможностью плавной перестройки длины волны генерации в спектральном диапазоне 740-780 нм. Продемонстрировано получение в александритовом лазере узкополосной генерации с энергией излучения 30 мДж и длительностью импульса 35 нс. Созданный компактный узкополосный александритовый лазер может эффективно заменять параметрические генераторы и Ti:Sapphire-лазеры в лидарных системах, работающих в диапазоне 700-850 нм.

Лазерное излучение желтого диапазона длин волн находит широкое применение в офтальмологии благодаря своей эффективности и уникальным свойствам. Существующие сегодня коммерческие медицинские лазерные установки обладают малой импульсной мощностью и рядом других недостатков. Желтый лазер на неоне с длиной волны 585,3 нм может быть предложен в качестве альтернативы. В работе представлены результаты экспериментальных исследований пеннинговского неонового лазера с накачкой импульсным индукционным продольным разрядом. В качестве активной среды использовалась газовая смесь Ne-H₂ в разных соотношениях. В экспериментах форма и длительность импульсов излучения сильно зависели от соотношения компонент Ne-H₂, позволяя получать как одиночные, так и сдвоенные импульсы общей длительностью от 30 до 100 нс на полувысоте. Энергия генерации импульсов излучения достигала 20 мкДж, что соответствовало импульсной мощности 200 Вт. Лазерный пучок в поперечном сечении имел форму, близкую к кругу, с расходимостью не более 2 мрад. В дальнейшем при реализации импульсно-периодического режима работы с частотой повторения импульсов до 100 Гц индукционный неоновый лазер может применяться в различных областях, в том числе в медицине.

Газовые электроразрядные азотные лазеры до сих пор остаются востребованными источниками УФ-излучения и находят множество научных и практических применений. В настоящее время одними из требований, предъявляемых к коммерческим азотным лазерам, являются малые габаритные размеры, высокая стабильность от импульса к импульсу и увеличенное время службы. В настоящей работе в качестве источника, удовлетворяющего подобным критериям, предлагается азотный лазер, возбуждаемый импульсным продольным индукционно-электрическим разрядом. В результате проведенных экспериментальных исследований получено лазерное излучение с длинами волн l₁ = 337,1 нм и l₂ = 357,7 нм. Энергия импульсов генерации достигала 0,67 мДж при длительности 20 нс на полувысоте и давлении азота 7…8 торр. Накачка азота только продольным разрядом в экспериментальной установке с аналогичными параметрами приводила к уменьшению энергии генерации до 0,4 мДж (с такой же длительностью 20 нс на полувысоте) при давлении азота не выше 5 торр. Азотные лазеры с данными параметрами излучения могут быть использованы для лечения офтальмологических заболеваний и туберкулеза.

В ходе технологического развития общества неизбежно возникает проблема нарушения экологического состояния окружающей среды, например в водоемах. Для своевременного реагирования на изменения концентраций различных загрязнителей в природных водоемах необходимо разработать экспрессный дистанционный метод. Создание такого метода возможно на основе спектроскопии комбинационного рассеяния света, однако в ходе разработки возникает большое количество различных сложностей, в частности касающихся способа предобработки полученных данных. В настоящей статье представлены результаты применения методов машинного обучения для разработки дистанционного метода определения по спектрам комбинационного рассеяния света типа и концентрации растворенных ионов в водных средах. Использование искусственных нейронных сетей позволило идентифицировать и одновременно определить концентрации каждого из восьми ионов (Zn²⁺, Cu²⁺, Li⁺, Fe³⁺, Ni²⁺, NH₄⁺, SO₄², NO₃^-) в многокомпонентной водной смеси с погрешностями, удовлетворяющими потребностям экологического мониторинга природных и сточных вод. Обнаружено существенное влияние способа предобработки спектров комбинационного рассеяния на результат решения обратной спектроскопической задачи. Полученные результаты могут использоваться для решения многопараметрической обратной задачи качественного и количественного определения ионов в воде.

Исследуется свечение плазменных диффузных струй (ПДС), которые позволяют моделировать в атмосферном воздухе низкого давления некоторые свойства красных спрайтов - импульсных разрядов, наблюдаемых в верхних слоях атмосферы Земли на высотах 40-100 км. ПДС инициировались плазмой импульсно-периодического емкостного разряда, создаваемой в кварцевой трубке между двумя внешними электродами, и распространялись одновременно в противоположные стороны. Для формирования ПДС, которые двигались навстречу друг другу, использовались две пары кольцевых электродов, установленных на расстоянии 66 см. При подаче от генераторов на каждую пару кольцевых электродов однополярных импульсов напряжения с задержкой в сотни наносекунд было обнаружено появление ярких областей (ЯО) свечения, подобных наблюдаемым в нижней области «столбчатых» спрайтов. Установлено, что при напряжении генераторов 7 кВ оптимальным для появления ЯО является давление воздуха 1-2 торр. Показано, что ЯО возникают благодаря взаимодействию стримеров, из которых состоят ПДС. Измерена скорость распространения фронта ПДС при положительной полярности импульсов напряжения, подаваемых на кольцевые электроды. Получены фотографии и спектры излучения ПДС, а также ЯО в ПДС. С помощью программы SPECAIR проведены расчеты параметров плазмы в разных областях ПДС. Установлено, что в области появления ЯО среднее значение температуры электронов уменьшается. Полученные результаты будут полезны при изучении свойств красных спрайтов.

С целью увеличения оптической прочности нелинейного кристалла дифосфида цинка-германия (ZnGeP₂) изучено влияние на порог оптического пробоя на длине волны 2091 нм примесных атомов Mg и Ca, введенных в кристаллическую решетку ZnGeP₂. Примесь вводилась путем диффузионного легирования посредством напыления материала на подложку из ZnGeP₂ с последующим отжигом в вакууме при температуре 750 °C в течение 200 ч. Показано, что введение примесных атомов Mg в монокристалл приводит к увеличению порога оптического пробоя на 31%. При легировании ZnGeP₂ атомами Ca наблюдается противоположная тенденция. Выдвинуто предположение, что за счет возникновения дополнительных процессов диссипации энергии, излучательной и быстрой безызлучательной релаксации через примесные энергетические уровни происходит изменение значения порога оптического пробоя, что в дальнейшем требует экспериментальных подтверждений. Увеличение оптической прочности материала ZnGeP₂ могло бы расширить область применения и возможности уже имеющихся разработок на основе данного материала.

В прибрежных водоемах, образовавшихся путем отделения от Белого моря в ходе послеледникового поднятия берега, в хемоклине - градиентной зоне между аэробной и сероводородной зонами - часто наблюдается окрашенная прослойка воды с массовым развитием фототрофных микроорганизмов. Спектры пропускания солнечного света, измеренные на разных горизонтах трех стратифицированных водоемов и в прибрежной морской акватории с помощью погружаемого волоконно-оптического зонда, сопоставлены со спектрами поглощения света водой на этих же горизонтах. Для слоев с массовым развитием аноксигенных фототрофов по спектрам поглощения определены концентрации бактериохлорофиллов. Согласно полученным данным диапазоны проходящего солнечного спектра в водной толще («цветовые экологические ниши») в значительной степени зависят от растворенных в воде гуминовых веществ. Их концентрация возрастает по мере изоляции водоема от моря, из-за чего фотическая зона сужается по глубине, хемоклин оказывается ближе к поверхности и наблюдается сдвиг спектра попадающего в хемоклин света в более длинноволновую сторону. В морской бухте до хемоклина доходит в основном свет с длиной волны 524-593 нм, в морской стратифицированной лагуне преобладают длины волн 526-597 нм, в водоемах с пресным поверхностным слоем воды солнечный спектр сдвинут в красную область (573-727 нм). Показано, что «цветовые экологические ниши» в различных водоемах заняты организмами, светособирающие антенны которых адаптированы к поглощению квантов света соответствующего спектрального диапазона. Этот факт может быть использован для предсказания таксономического состава различных слоев стратифицированного водоема.

В связи важностью структурной функции для расчета (или описания) распространения оптического излучения в турбулентной атмосфере, была поставлена задача определения этой функции по известным модовым коэффициентам разложения волнового фронта. Получены новые формулы для точного аналитического расчета структурной функции фронта на круглой апертуре. В отличие от описанного в литературе аналитического метода предлагаемый способ корректно учитывает всю область определения, включая приграничные зоны апертуры. Проведено сравнение результатов предлагаемого аналитического расчета с существующим методом, а также с численным расчетом при выбранной дискретизации на примерах полиномов Цернике, функций Карунена-Лоэва, соответствующих колмогоровской модели турбулентности, и колмогоровских волновых фронтов. Приводятся величины уклонения структурных функций, рассчитанных по существующему аналитическому методу и численно, от результатов, полученных новым способом. Указаны и объяснены универсальность и другие преимущества предложенного нами аналитического расчета структурной функции. Результат позволит точно определять структурную функцию волнового фронта по модовым коэффициентам в задачах распространения оптического излучения в случайно-неоднородных средах.

Теоретически исследовано распространение излучения волоконного иттербиевого лазера с длиной волны 1,07 мкм в прессованных микропорошках из прозрачных полупроводниковых и диэлектрических материалов (ZnSe, MgF₂, CaF₂, SiO₂, BaF₂, MgAl₂O₄, Al₂O₃, Nd:Y₂O₃, YSZ и TiO₂), показатели преломления которых находятся в диапазоне 1,38 ¸ 2,48. В результате расчетов установлено, что сочетание рассеяния и интерференции излучения в среде из частиц диаметром порядка микрон приводит к усилению интенсивности излучения в локальных участках среды на один-два порядка по сравнению с интенсивностью падающего излучения. Показано, что с ростом показателя преломления материала частиц это усиление возрастает. По нашему мнению, в подобных локальных максимумах запускаются как нелинейные механизмы поглощения лазерного излучения, приводящие к забросу электронов в зону проводимости, так и процессы ударной ионизации, приводящие к лавинообразному росту концентрации электронов в этой зоне. В результате материал начинает нагреваться вплоть до абляции.

Представлены результаты численного моделирования одного из наименее исследованных эксимерных лазеров - лазера на молекуле KrCl. Моделирование проводилось в 1D-приближении, где потоки лазерного излучения рассчитывались вдоль оптической оси между плоскопараллельными зеркалами, а система кинетических уравнений и уравнение Больцмана решались в каждом поперечном слое активной среды. Получено хорошее согласие теоретических данных с результатами работы KrCl-лазера серии EL. Численно показано влияние ширины разряда возбуждения на энергетические характеристики лазера. Предложенная модель и полученные оценки могут быть использованы как инструменты оптимизации начальных параметров при разработке более мощных лазерных установок.

Лазеры, излучающие в ИК-области спектра, активно применяются в различных областях науки и техники. В связи с этим расширение спектрального диапазона и получение эффективной генерации в ИК-области - это актуальная задача. Объектом исследования является лазер на самоограниченном переходе атома европия с длиной волны излучения 1,76 мкм. В настоящей работе исследована возможность повышения выходных параметров такого лазера за счет увеличения длины активной зоны газоразрядной трубки (ГРТ). Показано, что увеличение объема разрядной трубки с 157 до 314 см³ при сохранении уровня мощности накачки 1200 Вт позволяет повысить мощность генерации и КПД лазера вдвое. Впервые на линии 1,76 мкм достигнута средняя мощность излучения 2,5 Вт. Максимальное значение КПД 0,3% достигается при мощности накачки 500 Вт. После 100 ч работы энергетические характеристики Eu+Ne-лазера с активной зоной объемом 314 см³ продемонстрировали хорошую повторяемость, что позволяет сделать вывод о возможности дальнейшего увеличения энергетических характеристик и срока службы этого лазера. Лазер с такими параметрами может использоваться при микрообработке материалов (излучение с λ = 1,76 мкм), а также в активных оптических системах, связанных с визуализацией быстропротекающих процессов.

Расположение электродов газоразрядной трубки (ГРТ) лазера на парах меди (ЛПМ) в холодных буферных зонах, где отсутствуют пары металла, обусловливает формирование фантомного тока до момента «пробоя», в связи с чем необходимо оценить, является ли фантомный ток дополнительным фактором ограничения энергетических характеристик и каков механизм данного ограничения. Показано, что на начальном этапе накачки осуществляется зарядка собственной емкости ГРТ до момента «пробоя», что определяет два процесса в этот период времени: заселение метастабильных состояний меди и формирование фантомного тока, который возникает в результате шунтирования собственной емкости ГРТ холодной буферной зоной со стороны анода ГРТ. Рассмотрены механизм формирования фантомного тока и его роль в ограничении энергетических характеристик ЛПМ. Проведенные исследования указывают на две проблемы связанные с повышением энергетических характеристик ЛПМ: высокая предымпульсная концентрация электронов в активной среде и формирование фантомного тока, вызванное процессами в холодных буферных зонах. Результаты работы могут быть полезны специалистам в области лазеров на парах металлов.