О лаборатории

Проект “Экстремальные световые поля и их приложения” (Extreme Light Sources and Applications, ELSA) направлен на создание в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского лаборатории лазерной физики мирового класса под руководством проф. Жерара Муру. Предмет исследований лаборатории – генерация световых полей экстремально высокой (до 5-10 петаватт) пиковой мощности, экстремально короткой (порядка 100 аттосекунд) длительности и в экстремально недоступном частотном диапазоне – терагерцовом.

Лаборатория состоит из двух частей: лаборатория РТ (рентгеновского и терагерцового излучений), занимающаяся физикой генерации аттосекундных импульсов и терагерцового излучения, и лаборатория МП (мульти-петаватт), разрабатывающая источник лазерных импульсов с пиковой мощностью несколько петаватт. Вместе в РТ и МП лабораториях созданы три экспериментальных комплекса: мультипетаваттный, аттосекундный и терагерцовый.

 

Мультипетаваттный лазерный комплекс

Мультипетаваттная часть лаборатории ELSA является оконечной частью мультипетаваттного лазерного комплекса, созданного совместно с сотрудниками Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в специальном помещении с радиационной защитой в ИПФ РАН. Лазерный комплекс построен по схеме параметрического усиления чирпированных импульсов и содержит три усилительных каскада на кристаллах ДКДП с общим коэффициентом усиления 1011. Для накачки первых двух каскадов используется вторая гармоника излучения Nd:YLF-лазера, для накачки оконечного каскада (с апертурой пучка 10х10 см2) – импульсы второй гармоники лазера на неодимовом стекле с энергией 180 Дж и длительностью около 1 нс. В петаваттном режиме с выхода лазерного комплекса испускается импульс с центральной длиной волны 910 нм, длительностью 45 фс и энергией 25 Дж, с близкой к дифракционной расходимостью, который при острой фокусировке обеспечивает интенсивность 1022 Вт/см2. Для достижения мультипетаваттного уровня мощности была увеличена энергия импульсов накачки на оконечном каскаде усиления, создана новая система телескопов для улучшения пространственного перекрытия накачки и усиливаемого пучка в нелинейном кристалле и собран новый лазерный компрессор на четырех дифракционных решетках с высоким отношением выходной мощности ко входной. На данный момент комплекс функционирует в тестовом режиме. Параметры лазерного излучения, такие как длительность импульса и пространственный профиль пучка, оптимизируются для экспериментов по лазерно-плазменным взаимодействиям. Завершена модернизация мишенной вакуумной камеры для лазерных пучков большой апертуры. Разработана и находится на завершающей стадии монтажа новая мишенная камера, оптимальная для экспериментов с твердотельными мишенями. Разработана и изготовлена высокоточная система позиционирования твердотельных мишеней в вакууме. Разработан метод позиционирования мишеней с помощью ccd-камеры с микроскопической линзой и тремя юстировочными апертурами, обеспечивающий субмикронную точность позиционирования в экспериментах по взаимодействию лазерного излучения с веществом.

 

Комплекс аттосекундных исследований

Аттосекундный комплекс размещен в специально подготовленном помещении с низким уровнем вибраций. Помещение было защищено от электромагнитных полей и оборудовано специально разработанной системой вентиляции и кондиционирования для контроля температуры и влажности. Система обеспечивает постоянную с точностью 0.5°C температуру в лабораторном помещении, что является необходимым условием нормальной работы главного компонента лаборатории – фемтосекундного лазера со стабилизированной по огибающей несущей частоты фазой импульса FemtoPower Pro CEP3 (FEMTOLASERS,  Австрия). Проработано устройство экспериментальной установки по генерации аттосекундных импульсов. Приобретено оборудование, составляющее аттосекундную установку: вакуумные камеры и насосы, система напуска газа, времяпролетный электронный спектрометр, детектор на микроканальных пластинах, ccd-камеры и др.

 

Комплекс терагерцовых исследований

Комплекс был построен на основе существовавшего на кафедре общей физики университета импульсного терагерцового спектрометра. Основой комплекса является фемтосекундный лазер Tsunami с лазером накачки Millenia V (Spectra Physics) и лазерный усилитель MPA-50 (CDP Systems, Россия), усиливающий импульсы длительностью 100 фс на длине волны 800 нм до энергии 1 мДж. Параметрический усилитель дает возможность перестройки длины волны фемтосекундного импульса в диапазоне от 200 до 11000 нм.

В 2012 году лаборатория РТ получила еще одно помещение площадью 40 м2 для целей разработки новых методов терагерцовой спектроскопии и имиджинга и их применения в биомедицинской диагностике, интраскопии предметов искусства, для неразрушающего исследования фармацевтических препаратов и в системах безопасности. В лаборатории установлен терагерцовый спектрометр Tera K15 (Menlo Systems, Германия).

В числе главных результатов исследований, проведенных на терагерцовом комплексе в 2011-2012 годах, наиболее заметными является достижение рекордной эффективности оптико-терагерцовой конверсии в оригинальных структурах с тонким слоем электрооптического материала (LiNbO3), помещенного между отражающей подложкой и выводящей кремниевой призмой. Накачка структуры усиленными лазерными импульсами с энергией уровня десятка микроджоулей позволила достичь мирового рекорда эффективности оптико-терагерцового преобразования – 0.25% [S.B. Bodrov et al., Appl. Phys. Lett. 100, 201114 (2012)]. Для неусиленных лазерных импульсов наноджоульного уровня энергии была получена рекордная эффективность преобразования, составившая 0.008% [M.I. Bakunov et al., Appl. Phys. Lett. 101, 151102 (2012)].