Лаборатория лазерных разрядов, как структурное подразделение Института, работает более 20 лет. Основой лаборатории была группа научных сотрудников под руководством чл.-корр. РАН Н.А.Генералова, которая с 1970 года занималась физикой плазмы, лазерами и оптическими разрядами. В настоящее время в лаборатории работает 9 научных сотрудников, из них 2 д.ф.-м.н, 3 к.ф.-м.н, 7 инженерно-технических работников и 3 рабочих.

Основная деятельность лаборатории связана с экспериментальными и теоретическими исследованиями различных типов газовых разрядов, в том числе, в быстром потоке газа. Эти фундаментальные исследования лежат в основе разрабатываемых в лаборатории экспериментальных образцов мощных СО2-лазеров с высоким качеством излучения, которое используется для исследования воздействия мощных потоков энергии на различные вещества. Прикладным результатом научных исследований является разработка мощных технологических лазеров, лазерных технологических комплексов и лазерных технологий обработки материалов для промышленности.

Старший научный сотрудник М.Ю.Якимов и заведующий лабораторией лазерных разрядов Н.Г.Соловьев демонстрируют экспериментальную установку для исследования НОР академику В.Е.Фортову и профессору Ю.П.Райзеру.

Основные направления исследований

1. Непрерывный оптический разряд (НОР). НОР был предсказан теоретически профессором Ю.П.Райзером в ИПМех РАН, и впервые в мире практически осуществлен сотрудниками лаборатории лазерных разрядов. Поддержание плазмы НОР осуществляется за счет поглощения лазерного излучения при условии, что его интенсивность превышает некоторую пороговую величину, которая зависит от длины волны лазерного излучения, давления и состава газа, и составляет от десятков киловатт до десятков (и более) мегаватт на квадратный сантиметр.

Непрерывный оптический разряд в воздухе, поддерживаемый излучением мощного СО2-лазера.

В настоящее время в лаборатории исследуются вопросы устойчивости плазмы НОР в потоке газа, излучательные характеристики плазмы НОР, рефракция лазерного излучения в плазме НОР. Изучаются вопросы взаимодействия плазмы НОР с набегающим потоком газа, возникающие при этом возможности управления структурой разряда, его температурой, устойчивостью, распространением лазерного излучения в плазме. На базе этих исследований разработаны научные основы успешного применения НОР для решения различных задач высокотемпературной газовой динамики и прикладной физики.

На основе непрерывного оптического разряда разработана экспериментальная установка, имитирующая условия космического пространства, для исследования образцов материалов и изделий при воздействии жесткого УФ-излучения, высокого вакуума и экстремальных перепадов температур.

Исследуются перспективные применения НОР в качестве источника излучения большой яркости, для создания высокоэнтальпийных газовых потоков и потоков нейтральных частиц высокой энергии.

Установка для имитации условий космического пространства на основе непрерывного оптического разряда.

Кроме того, изучается возможность применения НОР для стабилизации разрядов других типов с целью повышения эффективности их применения в генераторах плазмы.

2. Несамостоятельный тлеющий разряд с импульсной емкостной ионизацией. Этот новый метод организации комбинированного тлеющего разряда был разработан и впервые реализован в лаборатории лазерных разрядов. В нем функции рождения электронов и вклада мощности разделены между двумя независимыми источниками. Такой разряд обладает высокой однородностью, устойчивостью в широком диапазоне давлений, позволяет получать однородную плазму в объемах, исчисляемых десятками литров. Разряд используется в лаборатории для исследования физики плазмы и для создания мощных газовых лазеров с высоким качеством излучения. На его основе возможна также разработка плазмохимических реакторов высокой производительности.

Самостоятельный и несамостоятельный тлеющие разряды в потоке газа.

В лаборатории были разработаны и созданы опытные образцы мощных технологических лазеров с поперечной прокачкой "Лантан-2" и "Лантан-3" выходной мощностью до 5 кВт, которые серийно выпускались промышленностью. В настоящее время разработан экспериментальный образец технологического лазера с быстрой осевой прокачкой мощностью 4 кВт, обладающий высоким качеством излучения. Во всех этих лазерах используется несамостоятельный разряд с импульсной емкостной ионизацией, обеспечивающий целый ряд технологических преимуществ для лазерного оборудования, созданного на его основе.

Лазерный комплекс на основе технологического лазера "Лантан-3" с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной ионизацией.

3. Высокочастотный разряд. Проведены исследования существования различных форм ВЧ-разряда, изучены возможности его применения для накачки трубчатых и щелевых газовых лазеров. Проводятся исследования явлений самоорганизации в ВЧ-разрядах при изменении вклада мощности, давления и состава газовой смеси.

Самоорганизация в ВЧ-разряде между дисковыми металлическими электродами.

4. Взаимодействие турбулентного газового потока и тлеющего разряда. Известно положительное влияние турбулентности газового потока на устойчивость тлеющего разряда. В лаборатории было экспериментально обнаружено и теоретически обосновано обратное влияние тлеющего разряда на параметры турбулентного потока, в частности, на амплитуду и ширину спектра турбулентных пульсаций. Ведется исследование эффекта перестройки структуры течения в ближнем следе за двумя цилиндрами под действием тлеющего разряда. Предложена феноменологическая модель, позволяющая получить максимально полную картину этого эффекта. Начата работа по численному расчету подобных течений.

5. Плазмохимические процессы в тлеющих разрядах. Экспериментально исследованы изменения химического состава газовых смесей за счет плазмохимических реакций, происходящих в тлеющем разряде, как в покоящемся газе, так и в скоростных газовых потоках. Разработаны методы уменьшения деградации газовой смеси в мощных СО2-лазерах на основе использования несамостоятельного разряда и специального катализатора. Продолжается работа с ФГУП "НПП "Исток" по использованию разработанного катализатора для улучшения характеристик промышленных лазеров ИЛГН-802.

6. Перспективные методы получения озона. Предложен и экспериментально испытан принципиально новый способ получения озона при смешении сверхзвукового потока воздуха и частично диссоциированного кислорода, поступающего из плазмотрона. Такой плазмодинамический генератор озона в 500-700 раз превосходит существующие промышленные образцы по объемной производительности при снижении уровня удельного энергопотребления в 2-2,5 раза. Генераторы озона этого типа представляют практический интерес при создании мощных систем водоочистки и водоподготовки для больших городов.

7. Разработка оптических резонаторов для мощных газовых лазеров. На основе исследований оптических характеристик тлеющего разряда разработаны оптимальные схемы лазерных резонаторов для различных научных и технологических применений при непрерывной мощности 1-10 кВт. Разработаны методы расчета резонаторов с учетом газодинамических и плазмохимических процессов в газовом разряде. Рассчитаны и изготовлены неустойчивые резонаторы с переменным по радиусу коэффициентом отражения выходного зеркала, многопроходные устойчивые резонаторы, оптимизированные для случая поперечной прокачки, резонаторы с компенсацией эффекта тепловой линзы с помощью цилиндрических зеркал, системы поляризации выходного излучения, а также внешние системы улучшения качества лазерного излучения.

Элементы оптической системы мощного СО2-лазера с осевой прокачкой.

8. Автоматизация научного эксперимента и разработка систем управления лазерным оборудованием. Созданы многофункциональные компьютерные системы сбора и обработки экспериментальных данных для физических исследований. Проводятся экспериментальные исследования мощного газового лазера как объекта управления с целью разработки оптимальных алгоритмов работы и совершенствования систем управления лазерным оборудованием с несамостоятельным тлеющим разрядом. В лаборатории разработаны и внедрены в промышленность автоматизированные системы управления промышленными лазерами "Лантан-3" и "Лантан-3М".

Основные публикации сотрудников лаборатории за последний период

1. Зимаков В.П., Кузнецов В.А., Кедров А.Ю., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю. Рефракция лазерного излучения в плазме непрерывного оптического разряда в потоке газа при атмосферном давлении // Оптика атмосферы и океана, т. 22, 11, с. 1023-1028 (2009).
2. Зимаков В.П., Кузнецов В.А., Кедров А.Ю., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю. Газовый лазер для эффективного поддержания плазмы непрерывного оптического разряда в научных и технологических применениях // Квантовая электроника, т. 39, 9, с. 797-801 (2009).
3. М.А. Броновец, В.А. Огуречников, Н.Г. Соловьев, Ю.Л. Чижов, М.Ю. Якимов. Экспериментальная установка для изучения трения и изнашивания с имитацией факторов открытого космоса // Трение и износ, т. 30, 6, с. 529-532 (2009).
4. А.Н. Шемякин, М.Ю. Рачков, М.Ю. Якимов. "Измерение мощности лазерного излучения технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом", Машиностроение и инженерное образование, Москва, 2 (19), 2009, с. 22-29.
5. Ю.Н. Гордеев, В.А. Огуречников, Ю.Л. Чижов. Плазмодинамический озоногенератор. Письма в ЖТФ, 2009, т. 35, вып. 19.
6. Gembarzhevskii, G.V. Mode change of two cylinders wake induced by glow discharge. IUTAM Symposium on Bluff Body Wakes and Vortex-Induced Vibrations. Capri Island, Italy, 22-25 June 2010, p.p. 281-284.

Сотрудники лаборатории