Как это было. Газоразрядные лазеры.

3. Разнообразие видов лазеров. Их доступность.

1964 – 1970 г.г.

Работа отдела в условиях быстро заполняющего огромного корпуса была связана с приобретением, разработкой, изготовлением и запуском нового физического, химического и технологического оборудования и освоением необходимых физических и физико-химических методов в электровакуумных, электрохимических, оптических и машиностроительных технологиях. Она шла организованно и быстро. Скорость запуска и освоения того или иного оборудования, технологии или методики определялись в основном их сложностью.

Данный период в деятельности лазерного отдела, как и всего института, характеризовался повышенным энтузиазмом его работников. Коллектив отдела представлял из себя сплав молодых и опытных кадров разных вузов и специальностей, прошедших каждый свою образовательную траекторию. Они создали в отделе обстановку творчества, постоянного поиска, взаимопомощи, доброжелательного отношения друг к другу и общей радости за успехи. Любая идея доходила до практической проверки и реализации в считанные дни. Это обеспечило возможность постановки и реализации сложных физических и технологических экспериментов, требующих в других старых институтах массы времени и затрат.

Отдел в это время представлял из себя открытую систему, активно взаимодействующую с внешним миром и быстро усваивающую и преобразующую всю полученную извне информацию. В этот период мы активно участвовали во многих научно-технических конференциях, активно принимали всех, кто хотел к нам приезжать, активно шли на любые контакты.

Созданный в первом корпусе научный и конструкторско-технологический задел использовался для продолжения работ по разработке новых, но уже под конкретные применения гелий-неоновых лазеров непрерывного и импульсного действия, совершенствованию технологии нанесения диэлектрических покрытий зеркал, разработке устройств на основе созданных нами лазеров, разработке новых катодов и устройств стабилизации газового состава, созданию технологической базы для изготовления изделий из вакуумной керамики и пайки металлокерамических узлов и приборов, исследованию процессов возбуждения инертных газов, паров ртути и других металлов на атомных и ионных переходах с целью создания условий инверсии заселенности в них и реализации новых активных сред лазеров.

3.1. Гелий-неоновые лазеры.

На базе разработанного нами лазера ЛГ–24М с излучением на длине волны 0,63 мкм нами создана первая в стране экспериментальная телевизионная линия связи с модуляцией лазерного излучения в ячейке Керра (Гордеев Д.В., Алякишев С.А., Вдовин В.Г., Перебякин В.А., Пяткова Л.М., Медведев В.А., Шекланов Н.А.), которая обеспечила устойчивую телевизионную связь между корпусами института (300 м.) и между корпусами НИИ ГРП и РРТИ (4 км) и которая демонстрировалась на выставке в институте «Электроника» в конце 1964 г.

Работы по созданию телевизионных и телефонных лазерных промышленных линий связи в это же время осуществлялись и на других предприятиях: ГОИ и академия им. Можайского в г. Ленинграде (Белоусова И.М.), Московский институт связи (Мурадян А.Г.) и др. Эти предприятия заказали нам с некоторым сдвигом во времени друг от друга разработку более мощных гелий-неоновых приборов.

Первые две организации в 1964 г. включили нас в Постановление правительства в качестве соисполнителей проекта, заказав лазер с мощностью излучения в непрерывном режиме 1 Вт. Учитывая серьезность заказа, постоянное давление со стороны разработчиков системы, непрерывные переговоры по снижению требований по мощности излучения лазера и наши попытки придумать какой-то выход из положения, привели к тому, что нами в очень короткие сроки был разработан гелий-неоновый лазер ЛГ–34М (Горелик А.В., Седов Г.С.), с излучением на длине волны 0,6328 мкм и мощностью 25 мВт. Этот лазер в качестве первого этапа работы мы и предложили, и поставили заказчикам системы связи, чтобы они начали ее испытывать. А сами стали разрабатывать еще более мощный лазер и искать пути достижения злополучной мощности 1 Вт.

Прошло два-три месяца, а со стороны заказчиков вместо непрерывных звонков ­– «мертвая» тишина. Оказывается, для работы, создаваемой ими лазерной системы связи этой мощности (25 мВт) оказалось пока достаточно.

Этот и еще два подобных случая в работе с нашими заказчиками приборов привели к рождению в нашем обиходе через несколько лет высказывания, ставшего крылатым: «Дадим заказчику не то, что он просит, а то, что ему нужно».

По окончании работы с ГОИ нами в 1965 году был разработан лазер ЛГ-35 (Седов Г.С.) с мощностью излучения на длине волны 0,63 мкм 40 мВт, а в лабораторных условиях получена генерация с мощностью излучения 500 мВт (Мирецкий Б.П.). правда при длине трубки около 5 метров.

Гелий-неоновые лазеры ЛГ-34М и ЛГ-35 уже в 1965 году были освоены в производстве на опытном заводе. Для лазерной линии связи Московскому институту связи (главный конструктор системы Мурадян А.Г.) нами в 1965 году на этапе испытаний системы был поставлен лазер ЛГ-35, а для опытной серийной лазерной системы типа «Кратер» разработан лазер ЛГ-36А с мощностью излучения 55 мВт. На этапах испытания и внедрения системы «Кратер» в производство разработчики лазеров принимали самое активное участие: в Москве, на трассе между Зубовской площадью и МГУ на Ленинских горах, между Кутузовским проспектом и г.Красногорском; в Армении, на трассе между г. Ереваном и г.Бироканом (институт физики АН Армянской ССР); в Литве, на трассе между г. Клайпеда и Кушской косой.

Нами по научно-техническому договору с пионерским лагерем «Артек» также была разработана в 1967 году лазерная линия связи, соединяющая лагерь «Морской» через местечко, находящееся на некоторой возвышенности и называемое «Яйла», с турбазой «Артек-Дубрава», находящиеся на расстоянии до 15 км друг от друга и не имеющие никакой связи между собой. Лазерная связь работала прекрасно, обеспечивая переговоры между лагерями, в случае туристических походов школьников из основного лагеря. Но все скоро, в 1968 году кончилось закрытием системы. Оказалось, что лазерный луч пересекает в одном из мест дорогу правительственной охоты, на которой оказался Л.И. Брежнев.

Линиям связи, работающим на большие расстояния (более 20 км) требовалась, как показали натурные испытания, стабильность оси диаграммы направленности лазера. Нами в развитие лазеров типа ЛГ-36А в 1968 году был проведен ОКР по разработке гелий-неонового лазера ЛГ-38 (Седов Г.С.) с автоподстройкой зеркал резонатора.

Лазер ЛГ-36А, идущий в обеспечение системы «Кратер», в 1968 году был освоен в производстве на Львовском заводе электронных приборов НПО «Полярон» (директор Зеланд Л.В.). Внедрение лазеров в НПО «Полярон» в отличие от внедрения на опытном заводе института осуществлялось через постановку параллельно соответствующей работы в ОКР завода (начальник Абрамович С.М.).

В 1970 году в НПО «Полярон» внедряется по той же схеме и лазер ЛГ-38. С этого момента количество и виды внедряемых на заводе лазеров увеличиваются, а тематика ОКБ трансформируется в направлении лазеров и лазерных устройств.

Работы по исследованию методов защиты шахтеров от взрывов в шахтах привели к созданию лазеров с трехзеркальным резонатором для обнаружения утечки метана (Мирецкий Б.П.) и разработке совместно с ОКБ Львовского НПО «Полярон» автомобильного варианта для контроля метана в атмосфере.

Если для линий лазерной связи требовались гелий-неоновые лазеры большой мощности, то для светодальномеров, работающих в полевых условиях, требовались малогабаритные лазеры с мощностью до 2 мВт. Для решения этой задачи нами был проведен ОКР и в 1966 году были разработаны малогабаритные гелий-неоновые лазеры с мощностью излучения на длине волны 0,6328 мкм 2 мВт ЛГ-55 и ЛГ-56 (Мирецкий Б.П.), которые в этом же 1966 году были освоены в производстве на опытном заводе.

Исследования по гелий-неоновым лазерам сводились не только к получению определенной мощности излучения, но были направлены и на создание приборов с высокой стабильностью частоты и работающие на одном продольном типе колебаний (одной частоте). Были проведены НИР (Алякишев С.А., Перебякин В,А.), позволившие создать гелий-неоновые лазеры с относительной нестабильностью частоты 10-9, стабилизированные по провалу Лэмба и с относительной нестабильностью частоты лучше 10-10 со стабилизацией частоты с помощью внешней ячейки поглощения, помещенной в переменное магнитное поле. На основе данной НИР в 1969 году разработан гелий-неоновый лазер ЛГ-149 (Теселкин В.В.), с относительной нестабильностью частоты 10-9 и мощностью излучения 0,5 мВт, который в этом же 1969 году освоен в производстве на опытном заводе.

В 1970 году разработан одночастотный повышенной мощности гелий-неоновый лазер ЛГ-159 (БорисовскийС.П.), также освоенный в производстве на опытном заводе.

На базе одночастотного лазера для Московского института стали и сплавов было разработано устройство для измерения малых, почти нулевых, значений коэффициентов линейных температурных расширений (КТР) (Алякишев С.А., Кондратов В.Н., Гордеев Д.В.), обеспечившее:
- создание в этом институте стальных сплавов с малым КТР – суперинвар, которые в последующем будут использованы в стержневых конструкциях газовых лазеров;
- создание ситалов с низким КТР для кольцевых лазеров на Люберецком оптико-механическом заводе.

На базе этого одночастотного лазера был также разработан прибор для измерения малых изменений показателя преломления жидкостей при движении подводных объектов (Перебякин В.А., Катаев М.И., Гордеев Д.В.)

Интенсивные исследования в области кольцевых гелий-неоновых лазеров завершились разработкой в 1965 году кольцевого лазера ЛГН-3 (Бельский Д.П.), на котором был проведен ряд экспериментов по определению угловых перемещений и измерению их угловых скоростей, и созданию в 1969 году моноблочной малогабаритной конструкции кольцевого лазера (Бельский Д.П., Базилев А.П.) с повышенной механо-климатической устойчивостью и надежностью.

1964г. Инженер Базилев А.П. при настройке гелий-неонового лазера.

Разработка и производство в институте гелий-неоновых и других лазеров стали возможными после освоения технических процессов напыления диэлектрических многослойных отражающих покрытий на новом оборудовании (Дубовская А.П., Чернова В.И., Зайцева З.И.). Ими исследовано влияние вида, качества и чистоты исходного материала, скорости и способов его испарения на отражающие и рассеивающие свойства покрытий. Разработаны способы и устройства для контроля коэффициентов отражения и рассеяния пленок с большой точностью. Разработана технология изготовления диэлектрических и металлодиэлектрических отражающих покрытий для ультрафиолетовой, видимой и ИК областей спектра и с очень низким коэффициентом рассеивания на длине волны 0,63 мкм.

3.2. Импульсные газоразрядные лазеры.

На базе созданного в первом корпусе научного задела:
- в 1965 году был разработан импульсный гелий-неоновый лазер ЛГИ-15 (Соловьева Г.И.);
- в 1966 году первый в мире импульсный гелий-ксеноновый лазер ЛГИ-26 (Москаленко В.Ф.) с излучением в средней инфракрасной области спектра на атомных переходах ксенона с мощностью до 1000 Вт при частоте повторения импульсов до 2 кГц.

Работы по модернизации гелий-неонового лазера ЛГИ-15 закончились созданием в 1967 году лазера ЛГИ-17. Данные лазеры широко использовались в системах оптической локации, работающих в окнах прозрачности атмосферы, и дистанционного управления подвижными объектами.

Лазеры ЛГИ-15, ЛГИ-26 и ЛГИ-17 внедрены в производство на опытном заводе, соответственно в 1965, 1966 и 1967 годах.

Исследования процессов возбуждения атомов и ионов неона, аргона, криптона и ксенона при импульсной системе накачки энергии в разрядный промежуток и поиск новых линий генерации (Кальвина И.Н., Москаленко В.Ф., Цуканов Ю.М.) позволили в 1967 году разработать впервые в мире мощный импульсный ионный лазер ЛГИ-37 (Москаленко В.Ф.), излучающий в широком диапазоне видимого спектра с мощностью 1 кВт и частотой повторения импульсов до 500 Гц. Эти работы позволили впервые в мире задолго до зарубежных публикаций получить мощную генерацию на ионном УФ-переходе ксенона с длиной волны 0,2315 мкм и данные о длине когерентности лазера и возможностях применения его в голографии.

Для обеспечения долговечности импульсных лазеров на ксеноне в несколько сотен часов разработаны технология глубокой очистки и централизованного изготовления смеси аргона, криптона и ксенона; угольный генератор ксенона и электромагнитный дозатор газа (Назаров И.Д., Кашигина Е.Г.), а также малогабаритный алюмосиликатный многоячеистый катод на ток в импульсе до 1 кА с долговечностью 1000 часов (Епанишникова Р.И., Ивлев А.М.)

По результатам этих исследований в 1970 году разработан импульсный ионный лазер ЛГИ-40 (Цуканов Ю.М.) с выходной мощностью 100 Вт и нашедший широкое применение в технологии производства изделий микроэлектроники.

3.3. Исследования процессов возбуждения новых активных сред и лазеров.

Результатов исследований, полученных в этот период в лаборатории оптики и физики плазмы и лазеров (руководитель Степанов Вл.А.) в том числе и приоритетных по количеству и разнообразию было так много, что в конце 60-х – начале 70-х лабораторию в шутку между собой стали называть Рязанской академией наук. Неслучайно по результатам прежде всего этих стартовых исследований из лаборатории вышло семь кандидатских и одна докторская диссертаций (Степанов Вл.А., Малахов В.П., Пугнин В.И., Орешак О.Н., Кюн В.В., Дятлов М.К., Руделев С.А.).

Разработанные в рамках НИР «Помпа» методики позволили исследовать процессы возбуждения и определить заселенность энергетических атомарных и двукратно-ионизированных уровней гелия, неона, аргона, криптона и ксенона в зависимости от тока разряда, давления и соотношения компонент газов. Найдены условия, при которых наблюдается инверсия заселенности в некоторых из этих активных сред, в частности, впервые на смеси ртути и криптона.

Исследовано распределение электронов по энергиям в тлеющем разряде в инертных газах и парах ртути и зависимость его от колебательных процессов в плазме. Впервые, с опережением более, чем на 30 лет, измерено распределение электронов по энергиям по длине бегущей страты для широких разрядных условий (Орешак О.Н., Степанов Вл.А.)

На основе анализа оптических и электрических характеристик плазмы разряда исследуемых активных сред изучены механизмы заселения энергетических уровней. Впервые обнаружены процессы интенсивного разрушения верхних уровней за счет столкновения с очень медленными электронами. Определено сечение этих процессов (Степанов Вл.А.). Теоретически эти процессы получили подтверждение в начале 70-х годов, они являются одной из причин уменьшения (срыва) инверсии заселенности и генерации в газах при увеличении, например, тока, и используются сегодня при создании рекомбинационных лазеров.

Исследованы условия инверсии заселенности в смеси гелия с неоном при возбуждении атомов пучком электронов с энергией около 25 В с помощью плоского протяженного (220х10 мм) оксидного катода (Дятлов М.К., Степанов Вл.А.). Показана возможность и получена генерация на длине волны 1,15 мкм с мощностью излучения около 100 мВт, являющаяся рекордной и по сей день (Куликов Ю.Н.). Впервые получена генерация на длине волны 0,6328 мкм при возбуждении атомов гелия и неона таким способом. Причем генерация наблюдается только вблизи поверхности оксидного катода. Оказалось, что возбуждение гелий-неонового лазера пучком электронов является выборочным из-за основных потерь электронов при столкновениях на первом 23S1 метастабильном уровне гелия и серьезного ограничения для возбуждения второго 21S0 метастабильного уровня гелия и, следовательно, 3S2 верхнего уровня неона для длины волны 0,6328 мкм (Дятлов М.К., Куликов Ю.Н., Степанов Вл.А.).

Проведенные работы позволили разработать в 1966 году гелий-неоновый лазер ЛГ-116 (Куликов Ю.Н.) с излучением на длине волны 1,15 мкм и с возбуждением атомов пучком электронов с энергией 25 В. В 1967 году лазер демонстрировался на выставке в г. Осака (Япония).

Исследованы процессы возбуждения инертных газов в сильноточном дуговом разряде в капилляре (Кюн В.В., Гурьев Т.Т.). Для формирования дугового разряда в технологическом отделе в 1965 году разработаны (Рогова Л.С.) подогревные прессованные алюмосиликатные катоды с долговечностью 100 часов, которая вскоре была повышена сначала до 500, а затем и до 1000 часов.

В 1965 году была получена генерация в сильноточном дуговом разряде в капилляре, выполненном из кварцевого стекла, охлаждаемого водой, в сине-зеленой (0,4579 – 0,5286 мкм) области спектра на 7 линиях ионизированного аргона. Мощность излучения достигала около 1Вт.

В 1967 году получена генерация в сильноточном дуговом разряде на ионизированном криптоне с излучением в красной (0,6471 – 0,6764 мкм) области спектра и мощностью около 500 мВт (Кюн В.В., Гурьев Т.Т.).

Проведен большой комплекс исследований этого вида разряда. Кроме исследований механизмов заселения уровней и контура спектральных линий приведен уникальный, более не повторяемый никем, эксперимент по измерению радиального распределения электронов и нормальных атомов, исследовались также процессы и режимы охлаждения разрядного промежутка и системы питания, возможности замены кварцевого капилляра разрядной трубки на другие материалы и др. (Кюн В.В., Гурьев Т.Т., Куликов Ю.Н.).

Нами впервые в мире в результате этих исследований создан аргоновый лазер, кварцевый капилляр в трубке которого заменен на вольфрамовую спираль длиной 250 мм. Спираль закреплялась в кварцевой разрядной трубке диаметром около 60 мм с помощью молибденовых дисков, расположенных на расстоянии около 15 мм друг от друга и исключающих провисание спирали во время протекания через нее сильноточного разряда. Лазер имел воздушное охлаждение и мог работать в режиме переменного тока от сети 220 В при использовании двух симметричных катодов (Куликов Ю.Н., Степанов Вл.А.).

Очень узкий диапазон давления, на котором наблюдается генерация на линиях ионизированного аргона и криптона определил возможность создания оригинального способа перестройки длины волны генерации за счет изменения давления газа в отпаянной трубке с помощью металлического сильфона (Кюн В.В., Гурьев Т.Т.).

3.4. Лазеры на ионизированном аргоне.

Проведенные исследования позволили в 1966 году разработать лазер на ионизированном аргоне с кварцевым капилляром ЛГ-106 (Шевченко Ю.Н., Райхер М.М.) с излучением в сине-зеленой(0,4579 – 0,5286 мкм) области спектра, мощностью излучения 1 Вт и долговечностью 30 часов.

Лазер сразу же был освоен в производстве на опытном заводе, начались работы по модернизации его активного элемента и увеличению срока службы. В 1967 году создается лазер ЛГ-106М с долговечностью более 100 часов.

Многие области применения требовали когерентного непрерывного источника в видимой области спектра с мощностью излучения около 1 Вт. Это обусловило постановку ОКР по разработке лазеров на ионизированном аргоне, устойчивых к различным механо-климатическим воздействиям. В результате проведенной работы в 1967 году был создан аргоновый лазер ЛГ-33 (Остапченко Е.П.) с мощностью излучения 500 мВт и долговечностью 100 часов.

Разработка в 1970 году в технологическом отделе импульсного дозатора аргона (Назаров И.Д.) с запасом газа на несколько тысяч часов обеспечила возможность повышения долговечности лазеров ЛГ-106М и ЛГ-33 до 500 часов.

3.5. Лазеры на парах металлов.

Оптико-спектральные исследования, проводимые в лаборатории оптики и физики плазмы и лазеров позволили к 1967 году получить результаты по возбуждению в тлеющем разряде и некоторых паров металлов. Наиболее изученными были пары ртути, по результатам исследований которых Степанов Вл.А. в 1967 году защищает кандидатскую диссертацию.

Проанализирована структура энергетических уровней большого количества различных элементов и осуществлен подбор пар элементов на подобие пары гелия и неона, когда возбуждение верхнего лазерного уровня и инверсия заселенности обеспечивается в результате столкновения с метастабильными атомами гелия. Одной из таких пар оказалась смесь гелия с кадмием, где метастабильные атомы гелия могут в результате столкновения с атомами кадмия возбудить правда уже ионы кадмия. Это происходит из-за низкой энергии ионизации кадмия и осуществления реакции Пеннинга с выделением после ионизации и возбуждения электрона.

Газоразрядная трубка для обеспечения необходимого давления паров кадмия размещалась в печке с регулируемой температурой и соединялась с откачным постом, на котором можно было изменять давление гелия. Исследования показали на возможность получения инверсии заселенности между уровнями 5s2 2D3/2–5p2P1/2 и 5s2 2D5/2–5P2p3/2 ионов кадмия с излучением на длинах волн 0,3250 и 0,4416 мкм волн соответственно (Дятлов М.К., Степанов Вл.А.). Стали размышлять над созданием лазеров, помещенных в нагревательный элемент, и над конструкцией нагревателя. Зарубежные публикации о получении генерации на смеси гелий-кадмий, использующие для создания равномерного распределения атомов кадмия по длине разрядной трубки явление катафореза, значительно ускорили процесс создания активного элемента и получения генерации в 1968 году на смеси гелия с кадмием на длине волны 0,4416 мкм.

В 1968-1969 г.г получена также генерация на парах цинка с излучением на длинах волн 0,5894 и 0,7478 мкм и на парах селена с излучением 19 линий в диапазоне 0,49 – 0, 64 мкм. Создана конструкция разрядной трубки, обеспечивающая работу единого лазера на парах кадмия и цинка в смеси с гелием, за счет размещения и регулировки температурой мест испарения и конденсации металлов. Проведен комплекс оптико-спектральных исследований газоразрядной плазмы и излучения этих лазеров, установлен механизм заселения энергетических уровней (Кюн В.В., Дятлов М.К.).

Исследования явления катафореза, процессов сорбции гелия в результате осаждения ионов кадмия в зоне конденсации паров, контура спектральных линий и оптимизации коэффициента усиления за счет замены естественного кадмия на изотоп кадмий-114 привели к разработке в 1970 году гелий-кадмиевого лазера ЛГ-31 (Дятлов М.К.) с мощностью излучения на длине волны 0,4416 мкм и долговечностью 500 часов, использующий для зажигания и формирования разряда подогревной алюмосиликатный катод.

Лазер в этом же 1970 году был освоен в производстве на опытном заводе.

3.6. Лазеры на углекислом газе.

В 1967 году начались работы по исследованию разряда и газовых лазеров непрерывного действия на основе углекислого газа с излучением на вращательных переходах молекулы СО2 в области 10,6 мкм. Изучались зависимости мощности генерации и стабильность ее во времени от состава активной среды, материала электродов, конструкции и технологической обработки разрядных трубок, выбора зеркал, что позволило в 1968 году разработать первый отечественный отпаянный СО2-лазер ЛГ-187 (Горелик А.В., Иванова Э.А., Остапченко Е.П.) с мощностью излучения 15 Вт.

Лазер был сразу освоен в производстве на опытном заводе.

Для активных элементов СО2-лазеров в 1970 году разработан стабилизатор газового состава (Авдонькин В.В.), обеспечивающий стабильность концентрации и оптимальное соотношение основных компонентов рабочей смеси в течение более 10 000 часов и повысивший долговечность лазера ЛГ-187 до 500 часов.