Лаборатория оптических излучений

Научное направление

Получение высоких эффективностей излучения в лазерно-активных и оптических средах на основе газовых смесей и изучение взаимодействия излучения созданных источников с веществом

Заведующий лабораторией

СОРОКИН
Дмитрий Алексеевич

кандидат физико-математических наук

В ЛОИ на протяжении уже более 15 лет проводятся исследования в области высоковольтных импульсных и импульсно-периодических газовых разрядов. На этой основе создаются генераторы неравновесной низкотемпературной плазмы, источники спонтанного и вынужденного излучения с длинами волн в УФ и ВУФ областях спектра, проводится поиск направлений их практического использования.

Исследованиям в данных направлениях в настоящее время уделяется повышенное внимание, как в нашей стране, так и за рубежом, поскольку химически активная неравновесная низкотемпературная плазма, а также источники излучения в УФ и ВУФ областях спектра широко применяются в различных областях, таких, как наука, медицина, пищевая и оборонная промышленности, и др. Например, перспективность применения «холодной» плазмы в медицине обусловлена содержанием в ее составе высокой плотности активных частиц, что приводит к ускоренному заживлению открытых ран и высокой эффективности в борьбе с опухолями, в том числе раковыми; излучение эксиплексной лампы с длиной волны 222 нм (KrCl-эксилампы) на основе неравновесной низкотемпературной плазмы барьерного разряда обладает повышенной вирулицидной эффективностью, включая воздействие на коронавирус COVID-19, что позволяет рассматривать данные источники излучения как основу для создания технических средств, ограничивающих распространение коронавируса.

Лаборатория имеет многолетние научные связи с рядом научных организаций и вузов из России и Китая. Сотрудники лаборатории подают заявки и участвуют в выполнении работ по грантам Российского научного фонда (РНФ), Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Минобрнауки РФ).

Исследуются эффекты в синтетическом алмазе, связанные с протеканием электрического тока, генерацией лазерного излучения на фотоактивных центрах и преобразованием энергии ускоренных электронов в оптическое излучение.

Данные исследования необходимы для развития электронной и фотонной компонентной базы бортового обору-дования космических и летательных аппаратов, для атомной энергетики и сильноточной электроники.

Кристаллический углерод (алмаз и графен) является платформой для развития квантовых технологий (сенсорика, вычисления, криптография), создания фотонных кристаллов и интегральных схем, применения в биотехнологиях и тераностике (наноалмазы, биосовместимые графеновые электроды).

В ЛОИ имеются в наличии необходимые для проведения экспериментальных работ приборы и оборудование: высоковольтные (десятки-сотни кВ) импульсные генераторы, в том числе твердотельные с частотами повторения от единиц до 200 кГц, вакуумная техника, включая форвакуумные и безмасляные турбомолекулярные насосы, фотоприемники и фотодатчики, включая специализированные приемники для измерения средней мощности излучения эксиламп, спектральные приборы – спектрометры и монохроматоры, в том числе вакуумный монохроматор. Для регистрации параметров быстропротекающих процессов и импульсных световых потоков используются приборы с уникальными параметрами – широкополосные цифровые осциллографы, в том числе с полосой пропускания до 6 ГГц, стрик-камера с пикосекундным временным разрешением, сопряженная со спектрометром, а также 4-х канальная CCD-камера с наносекундным временным разрешением.

Основные научные достижения

Созданы эксиплексные лазеры на галогенидах благородных газов с уникальными параметрами. Впервые реализованы длительность импульса излучения эктроразрядного XeCl лазера 1 мкс и КПД в электроразрядном KrCl лазере 2%. Получены в лазерах с накачкой пучком электронов энергии излучения 2 кДж на длине волны λ=308 нм, 100 Дж на λ=250 нм, 100 Дж на λ=1.73 мкм и 50 Дж на λ=2.03 мкм.
Созданы эффективные нецепные HF лазеры с инициированием химической реакции самостоятельным разрядом и пучком электронов. Получены энергия излучения в импульсе до 200 Дж, удельная энергия излучения до 140 Дж/л·атм и КПД от вложенной энергии ~11% (при накачке самостоятельным разрядом впервые).
Созданы генераторы накачки импульсных лазеров и эксиламп с применением индуктивных накопителей энергии энергии. Впервые, при использовании подобного генератора и полупроводникового прерывателя тока, реализована частота следования импульсов 12 кГц при накачке лазера и 100 кГц при накачке ВУФ эксилампы на димерах ксенона. Разработан XeCl лазер, использующий индуктивный накопитель, (задающий генератор для лазерной системы с малой расходимостью излучения) с длительностью импульса на полувысоте 300 нс и энергией в импульсе 1 Дж или с длительностью импульса на полувысоте 200 нс и энергией в импульсе 1.6 Дж.
Проведены исследования коаксиальных, цилиндрических и планарных источников спонтанного излучения с накачкой тлеющим, барьерным и емкостным разрядами, в том числе и с накачкой короткими импульсами. Созданы KrCl и XeCl эксилампы тлеющего разряда низкого давления со средней мощностью излучения в УФ области спектра до 1.6 кВт. Созданы импульсные KrCl и KrF эксилампы с плотностью мощности излучения до 5 кВт/см². Разработаны отпаянные источники спонтанного излучения, излучающие на длинах волн 172, 206, 222, 253, 282 и 308 нм со средней мощностью излучения до 100 Вт, высокой эффективностью и сроком службы более 2500 часов. Образцы эксиламп и лазеров представлялись на Международных и Российских выставках и награждены одной золотой, двумя серебряными и тремя бронзовыми медалями, а также дипломами и грамотами.

РЕАЛИЗУЕМЫЕ ПРОЕКТЫ

Грант РФФИ № 20-02-00733_а «Исследование генерации убегающих электронов с привязкой к динамике развития волны ионизации на основе оригинального метода».
Руководитель: Белоплотов Д.В. (2020–2022 гг.).
Проект «Импульсно-периодические разряды атмосферного давления: механизмы формирования, свойства плазмы и взаимодействие с веществом» (“Atmospheric-pressure repetitively pulsed discharges: mechanisms of generation, plasma properties and interaction with targets”) в рамках гранта Минобрнауки (Соглашение № 075-15-2021-1026 от 15.11.2022 г.) в области науки в форме субсидий из федерального бюджета на обеспечение проведения научных исследований российскими научными организациями и (или) образовательными организациями высшего образования совместно с организациями Китайской Народной Республики, в рамках обеспечения реализации программы двух- и многостороннего научно-технологического взаимодействия.
Руководитель: Тарасенко В.Ф. (2021–2023 гг.)
Проект BRICS «Новая стратегия эффективной активации воды и её очистки от загрязнений плазмой импульсных разрядов, формируемой при помощи возобновляемых источников энергии» (“A new strategy of effective water activation and pollution treatment by pulsed discharge plasma driven by renewable energy”) в рамках гранта Минобрнауки (Соглашение № 075-15-2022-1238 от 13.10.2022 г.) в области науки в форме субсидий из федерального бюджета на обеспечение проведения российскими научными организациями и (или) образовательными организациями высшего образования совместно с иностранными организациями научных исследований в рамках обеспечения реализации программы двух- и многостороннего научно-технологического взаимодействия.
Руководитель: Сорокин Д.А. (2022–2024 гг.)
Грант РНФ № 22-22-00984 «Катодолюминесценция и излучения Вавилова-Черенкова синтетического алмаза в широком интервале температур».
Руководитель: Бураченко А.Г. (2022–2023 гг.)
Грант РНФ № 22-29-00137 «Ключевые режимы зажигания и поддержания коронного разряда».
Руководитель: Тарасенко В.Ф. (2022–2023 гг.)

Возможные исследовательские темы для студентов

Исследования в области высоковольтных импульсных и импульсно-периодических газовых разрядовша 13
Cоздание генераторов низкотемпературной неравновесной плазмы и ее применения
Исследования газоразрядных источников УФ излучения на основе эксимерных и эксиплексных молекул (эксиламп)
Применения газоразрядных источников УФ излучения на основе эксимерных и эксиплексных молекул (эксиламп)
Исследования в области углеродной электроники и фотоники

Значимые публикации

Д.А. Сорокин, Д.В. Белоплотов, А.А. Гришков, В.А. Шкляев, В.Ф. Тарасенко, С.Я. Беломытцев, М.И. Ломаев. Высоковольтный наносекундный разряд в неоднородном электрическом поле и его свойства. 2020. - Томск: STT, 2020. - 288 c.
Runaway Electrons Preionized Diffuse Discharges. Edited by V.F. Tarasenko. Nova Science Publishers, Inc., NY, USA, 2014. 613 p.
А.М. Бойченко, М.И. Ломаев, А.Н. Панченко, Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко. Ультрафиолетовое и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. – Томск: STT, 2011. – 512 c.
Э.А. Соснин, О.С. Жданова. Вирулицидные и бактерицидные эксиплексные лампы барьерного разряда // Квантовая электроника. ? 2020. ? Т. 50. ? № 10. С. 984?988. (Статья включена Всемирной организацией здравоохранения в Глобальный список литературы по коронавирусной болезни COVID-19).
A.G. Burachenko, E.I. Lipatov, D.E. Genin, V.S. Ripenko, A.D. Savvin, D.A. Sorokin, M.A. Shulepov, V.G. Vins, A.P. Yelisseyev, A.V. Puchikin. Luminescence spectra of diamonds containing nitrogen-vacancy and interstitial photoactive centers // Journal of Luminescence. – 2021. – Vol. 237. – Art. no. 118214 (8 pp.).