Творческий коллектив (ТК) «ФОТОН» сформирован в 1992 г. из исследовательской группы, которая, начиная с 1985 года, входила в состав лаборатории электроразрядных и химических лазеров.

Тематика работ:
Разработки электроразрядных и плазмохимических способов получения возбуждённых, лазерно- и химически-активных газообразных сред, исследования таких сред экспериментальными методами и численным моделированием .
Полученные результаты, относятся к:

• Физике газового разряда, низкотемпературной плазмы и слабоионизованного газа
• Физике лазеров
• Плазмохимии и Химической физике.

Сотрудники ТК «Фотон»:

• Шепеленко А.А., - руквод. ТК, снс, к.ф.-м.н.
• Михеев П.А. - снс, к.ф.-м.н.
• Фомин Е.В. - м.н.с.
• Воронов А.И. - вед. конструктор
• Купряев Н.В. - вед. инж.
  в работах также постоянно участвует
• Картамышева О.С. - инженер-химик филиала

Исследования разрядных и способов получения синглетного кислорода и атомарного йода -основное направление работ в последние годы. Синглетный кислород и атомарный йод представляют особый интерес, так как составляют активную среду кислородно-йодного лазера. Поиски разрядного способа получения синглетного кислорода направлены на создание электроразрядного варианта кислородно-йодного лазера. Подробнее об этих задачах, о полученных результатах и список публикаций, смотри в статье «Исследования разряда».

Рис. 1. Установка "Разряд в потоке". Видно розовое свечение в разрядной трубке и голубое свечение в послеразрядной зоне.04.2002г.

Физика разряда и низкотемпературной плазмы:

• предложен метод расчета характеристик электронов плазмы в смесях газов (ТВТ,1998.)
• исследован физический механизм тепловой неустойчивости и контрагирования разряда в потоке газа (Конф. ФГР-96.)

Физика лазеров, оптика лазерных пучков:

• Предложен метод аналитического расчета параметров выходного излучения лазера с апертурно ограничеными зеркалами резонатора в приближении гауссова пучка (КЭ,1999г.)
• Исследован лазерный оптический резонатор - неустойчивый с полупрозрачным выходным зеркалом и малым увеличением.

Экспериментами показана возможность генерации излучения высокого качества лазерами с активными объёмами больших поперечных размеров с числами Френеля до 15 и более (КЭ,1992; ПТЭ, 1993; КЭ,1996).
Исследования предшествующих лет:

• Исследован электроразрядный вихревой СО₂-лазер - лазер, использующий вихревое охлаждение активного объёма (КЭ,1990г.)
• Исследованы оптические свойства вихревого потока газа с разрядом в нём, как дефокусирующей линзы с регулируемым фокусным расстоянием (ИФЖ,1990г.; А.с.,1990)

Разработки мощных технологических СО₂-лазеров:

• осуществлен проект по изготовлению серии технологических СО₂-лазеров «Локон» мощностью 4 кВт кооперацией организаций г.Куйбышева (1989г. запуск 2-х установок - в «КНПО Труд» и в СФ ФИАН; А.с.,1989)
• предложен проект быстропроточного технологического СО₂-лазера мощностью 7 кВт «Самара-2» - излучатель с оригинальной рекордной по компактности компоновкой (1989г.)
• разработан прибор - измеритель мощности лазерного излучения, изготовлен и передан по хоздоговору (Конф. 1989 г.)
• реализована модернизация лазера «Самара-3» по ГНТП «Гиперболоид» (1991г. - демонстрация работы лазера мощностью 4 кВт комиссии от программы под предс. чл.-корр.АН Генералова Н.А.)

Подробнее о перечисленных работах смотри далее. Физика газового разряда и плазмы:

• Предложен (1998г.) метод расчета характеристик электронов плазмы в смесях газов. Метод позволяет расcчитывать среднюю энергию и дрейфовую скорость электронов в зависимости от параметра плазмы E/N для смесей газов СО₂/N₂/He, используемых в СО₂-лазерах. Эти величины рассчитываются с точностью несколько процентов без решения кинетического уравнения, а на основе использования уже известных данных для других смесей сходного состава. Для газов СО₂, азота и гелия найдены сечения и доли теряемой энергии для эквивалентных столкновений, описывающих совокупное действие реальных столкновений всех типов. Метод может быть применен и для других газовых смесей.
  
  
• Исследован (1997г.) физический механизм тепловой неустойчивости положительного столба (ПС) разряда в потоке газа, приводящей к формированию контрагированного (шнурового) состояния. Для нестационарной модели ПС разряда в потоке газа, учитывающей поперечные току диффузионные переносы плазмы и тепла, исследован процесс формирования распределения плотности тока по длине протяженных электродов до стадии установления стационарного состояния. Рассматривались такие условия и конфигурация разряда, как в быстропроточных СО₂-лазерах.

  Показано, что контрагирование ПС стационарного разряда не носит порогового характера, оно происходит плавно, начиная с небольших энерговкладов, дающих термически определяемый режим. Показано также, что пренебрегать диффузией, как это делалось в линейной теории, недопустимо. В расчётах достигнуты стационарные распределения для контрагированного ПС в потоке газа, в отличие от известных работ, в которых были получены решения только до момента начала резкого перехода в шнур. Определены параметры контрагированного токового канала для разряда в потоке азота. Удержание ПС в однородном состоянии, вероятно, обеспечивается внешними для столба приэлектродными областями разряда.

Физика лазеров, оптика лазерных пучков:

• Электроразрядный вихревой СО₂-лазер.
   Экспериментально исследован (1989 г.) электроразрядный СО₂-лазер с принципиально новым типом охлаждения активного объёма - вихревым охлаждением турбулентным потоком газа. Впервые была осуществлена стационарная генерация вихревого электроразрядного СО₂-лазера и исследованы его основные энергетические характеристики. В экспериментах максимальная мощность с единицы длины вихревого лазера в 2,5 раза и более превышала аналогичную мощность лазеров с диффузионным охлаждением.

  Показано, что вихревой турбулентный поток стабилизирует разряд, позволяя создавать стационарный тлеющий разряд при давлениях свыше 200 мм рт.ст. Это в несколько раз больше, чем типичные максимальные давления для разрядов в прямом потоке. При этом реализуются высокие энерговклады - более 800 Дж/г, плотности тока - более 1,2 А/см² и плотности мощности - более 140 Вт/см³.
  
  

• Исследования оптических свойств вихревого потока и воздействия на них разряда.
  

  Было впервые показано (1990 г.), что вихревой газовый поток действует на световой пучок как газовая линза. Измерены значения фокусных расстояний соответствующей дефокусирующей линзы при различных параметрах потока, получена аналитическая зависимость для расчета фокусного расстояния. Фокусные расстояния в экспериментах изменялись от 120 до 13 метров в зависимости от параметров потока. Была также показана возможность регулирования фокусного расстояния газовой линзы с помощью разряда. Воздействие тлеющего разряда позволяло в экспериментах перестраивать фокусное расстояние до 4  раз. Для этого было достаточно, регулируя ток, изменять вкладываемую в разряд мощность в пределах от 0 до 200 Вт.
  

• Исследован (1989-1997гг.)  лазерный оптический резонатор - неустойчивый резонатор с полупрозрачным выходным зеркалом (НРПВЗ) и малым увеличением. Резонатор такого типа прежде не был исследован и не использовался. Он был кратко рассмотрен в одной работе, но не получил должного признания. В наших работах были показаны достоинства такого резонатора и исследованы его физические характеристики. Был найден простой способ преодоления трудностей, отмечавшихся ранее, в обеспечении необходимых параметров оптической схемы. Это позволило экспериментально продемонстрировать возможность эффективного использования такого резонатора в мощных лазерах.

  Главное достоинство НРПВЗ - возможность генерирования излучения высокого качества в мощных лазерах с активными объёмами больших поперечных размеров. В экспериментах одномодовое излучение генерировалось в лазерах с числами Френеля до 15, в то время как с широко используемыми резонаторами устойчивого типа это возможно при числах меньше, чем 1,5. Было также показано, что резонатор не критичен к наличию большого внутрирезонаторного астигматизма. На основе этих работ резонаторы такого типа были разработаны для технологических лазеров и успешно используются в электроразрядном быстропроточном СО₂-лазере мощностью 1,2 кВт; в твердотельных лазерах.

  Общее физическое свойство оптических резонаторов - условие минимума дифракционных потерь - найдено в этих работах на основе численного моделирования. Дифракционные потери в оптическом резонаторе имеют минимум при равенстве эквивалентных чисел Френеля для концевых зеркал.
  

• Предложен (КЭ,1999г.) метод аналитического расчета параметров выходного излучения лазера в приближении гауссовых пучков, учитывающий апертурные ограничения зеркал резонатора.
• Предложена (ПТЭ,1993г.) простая и удобная методика измерения кривизны длиннофокусных зеркал.

Рис. 2. Страты в разряде в потоке азота. Разрядная трубка диаметром 3 см, расстояние между стратами ~1 см. 04.2002г.

Экспериментальная установка для получения с помощью стационарного разряда в быстром газовом потоке возбуждённых газовых сред и их исследования. Установка позволяет создавать разряд в газовых потоках прямой и вихревой конфигурации. Скорости потока могут достигать ~200 м/c. Стационарный тлеющий разряд в кислороде или в его смесях с различными газами сохраняет при этом устойчивость до давлений в десятки мм рт.ст. при высоких удельных энерговкладах. Для измерений концентраций электронно-возбуждённых молекул используется эмиссионная спектроскопия видимого и ИК диапазона. Абсолютная калибровка интенсивности ИК излучения выполняется по модели абсолютно черного тела.

Результаты первых экспериментов опубликованы в 1998 г. Впервые получены данные по концентрациям молекул синглетного кислорода O₂(a¹D_g), получаемым с помощью разряда в вихревом потоке при энерговкладах до ~150 кДж/моль. Использование разряда в вихревом потоке позволило реализовать в стационарном режиме плотности тока до 1,5 А/см² и концентрации плазмы ~10¹³ см^-3, что на порядок и более превышает типичные значения стационарных разрядов. Исследованы основные зависимости концентраций молекул O₂(a¹D_g) и O₂(b¹S_g) от основных параметров разряда в чистом кислороде: от тока и энерговклада разряда, давления и других. Найден способ воздействия на систему малыми газовыми добавками, дающий двух-трёх кратное увеличение концентраций. Разработки и исследования мощных технологических СО₂-лазеров:

• Проект «ЛОКОН» (1986-1989гг.) - создание технологического СО₂-лазера на основе излучателя «ЛОКОН» максимальной мощностью около 4 кВт, изготовление серии таких лазеров кооперацией предприятий г. Куйбышева.
  

  В то время был высокий спрос на лазеры такого класса мощности, но их производство в СССР отсутствовало. Многие промышленные предприятия искали возможность приобрести такой лазер по индивидуальному заказу. В стадии разработки и подготовки единичного производства находились лазеры «ЛАНТАН», «ТЛ-5», «ЛОКОН». За основу были взяты разработки Института теоретической и прикладной механики СО АН (г. Новосибирск), одним из авторов которых был А.А. Шепеленко (до перехода на работу в СФ ФИАН в конце 1984 года). Констукторскую документацию дорабатывало подразделение Куйбышевского НПО «Труд» (в настоящее время научно-производственное объединение «Двигатели НК»). Лазеры изготавливались кооперацией семи организаций и предприятий г. Куйбышева.
  

  Первые два лазера были изготовлены в 1990 году. Один был запущен в работу в КНПО «Труд». Он использовался в опытном производстве, а также как основа для создания автоматизированного лазерного технологического комплекса. Второй лазер был запущен в СФ ФИАН. Предполагалось его использовать в экспериментах и испытаниях по техническому совершенствованию систем и узлов. На нём проводились измерения характеристик, эксперименты по оптимизации рабочих режимов. Из экспериментов выявлялись задачи для дальнейшего развития лазера, по ним проводились конструкторские проработки. Целью было - повышение стабильности и качества выходного излучения, повышение технического уровня и надежности.
  

  

  Были доработаны основные узлы излучателя: электродные узлы, узлы оптическая резонатора, привод вентилятора. Был также разработан навый вариант систем обеспечения: системы газонапуска и вакуумной откачки, водораспределения, управления. Вариант таких систем с полной автоматизацией управления лазером разработан конструкторской группой ЛХЭЛ под руководством В.С. Сафонова. Включающий новые узлы и системы лазер «Самара-3» был запущен в работу в 1991 г. В работе на мощности около 4 кВт он демонстрировался комиссии от ГНТП «Гиперболоид» под председательством чл.-корр. АН Н.А. Генералова.
  

  

• Проект «Самара-2». Предложена оригинальная компоновка излучателя (авторы Л.В. Осетров, А.А. Шепеленко; 1989 г.), которая позволяет получить максимальную мощность излучения свыше 7,5 кВт (номинальная мощность 5 кВт) от излучателя c размерами 1,3×1,4×1,4 м. Таким образом, излучатель превосходил лучшие мировые образцы по параметру компактности (мощность с единицы объёма). В техническом проекте были применены только проверенные решения из предшествующих разработок. По проекту «Самара-2» конструкторской группой ЛХЭЛ в 1989 г. были разработаны рабочие чертежи и проводилась работа по комплектованию материалами и готовыми изделиями. Но проекту не суждено было осуществиться! В 1991 году, по известным причинам, объёмы работ резко снизились, начался распад коллективов и переориентация, отток кадров. В 1992 году экспериментальные и конструкторские работы по направлению «мощные технологические СО₂-лазеры» в СФ ФИАН были прекращены.
  
  
• Измеритель мощности лазерного излучения «ВМИ» был разработан в рамках хоздоговора и передан (1989 г.) предприятию КНПО «Труд» для измерений на лазере «ЛОКОН». Прибор позволяет измерять мощность лазерного излучения до 10 кВт при большой входной апертуре (80 мм) и при высоком для такой задачи быстродействии (время установления менее 2-3 с.) и с точностью лучше 6%. Отличительная особенность прибора - наличие в нем надёжного внутреннего источника калибровки абсолютной величины измеряемой мощности. В стране приборов с близкими характеристиками серийно не производилось. Прибор ВМИ использовался и в лаборатории СФ ФИАН.