Книга памяти

Лаборатория Тамары Михайловны Муриной

Т.М. Мурина (1927-2006 гг.) была моим научным руководителем и являлась заведующей лаборатории, в которой я проработал более тридцати лет. Хочу обрисовать некоторые научные работы лаборатории. Фундаментальной проблемой физики кристаллических лазеров является освоение оптического диапазона 0.3 -10 мкм. Наша лаборатория имела основное направление по решению этой задачи - продвижение по инфракрасному диапазону. Она так и называлась: лаборатория кристаллических лазеров инфракрасного диапазона. Александр Михайлович Прохоров очень интересовался работами лаборатории и был частым нашим гостем.

Тамара Михайловна была хорошим организатором, и многие результаты были получены благодаря тесному сотрудничеству как с другими подразделениями института, так и с другими академическими институтами. Особо необходимо выделить совместные работы с лабораториями Осико В.В. , Щербакова И.А. , с Институтом кристаллографии и, конкретно, с Багдасаровым Х.С.

Основой работ лаборатории было создание кристаллических лазеров инфракрасного диапазона. И первым из них стал лазер на ионах Dy²⁺ в кристаллах СaF₂. По энергетическим параметрам и эффективности этот лазер был в то время лидером - ему не было равных среди других лазеров инфракрасного диапазона.

Построение лазера было чисто классическим:

1. Кристаллическая основа - СaF₂ - Дебаевский фонон (400 см^-1), т.е. безызлучательные переходы не подавляли излучательные переходы. Другими словами, квантовый выход с верхнего лазерного уровня составлял 100%.
2. Поглощение накачки осуществлялось за счёт внешней f-оболочки на разрешенных диполь-дипольных переходах. А поскольку внешняя оболочка эффективно взаимодействовала с колебаниями решетки, то имело место поглощение переходными ионами типа железа, хрома. Т.е. при концентрации активных ионов порядка 0.3% кристалл был черным, как уголь. Таким образом, эффективность аккумуляции энергии накачки была максимальной.
3. Лазерный переход осуществлялся на переходах 5f-оболочки, т.е. на запрещённых переходах. Время жизни верхнего лазерного уровня составляла 15 мсек. Энергия накачки аккумулировалась на верхнем лазерном уровне.
4. Наконец, сечение перехода, тем не менее, было порядка 10 -17 см^-1, т.е. значительным за счёт того, что ширина линии перехода составляла 0.3 см^-1. Недостатком лазера была работа при азотной температуре.

Конструктивными решениями лазера занимались В.В. Костин и А.Ф. Шевель.

Параметры лазера:

Т.М.Мурина и В.В. Костин у экспериментального стенда.

Первыми в этой области инфракрасного диапазона начались наши работы по электрооптической модуляции добротности резонатора совместно с Л.А. Кулевским. Хочется отметить удивительную интуицию Тамары Михайловны как физика. Динамика излучение лазера СaF₂ - Dy²⁺, как впрочем и всех твердотельных лазеров, имеет так называемую пичковую структуру. Быстро возобладала точка зрения, что пичковость - это отклик квантового генератора - автоколебательной системы - на модуляцию добротности резонатора механическими и тепловыми колебаниями. В лаборатории природу пичков изучал Мераб Джибладзе, у которого Тамара Михайловна была научным руководителем. Он наблюдал за осцилляциями одной моды, и всё было бы хорошо, но оценки частоты колебаний точно не совпадали с частотой возможных механических и тепловых колебаний. На такого рода несовпадения, как я убедился впоследствии, Тамара Михайловна реагировала крайне чувствительно. Чтобы понять причины такого отклонения, Тамара Михайловна потратила массу усилий. Я помню её многочисленные беседы на эту тему с Луговым В.Н.

Сегодня динамика излучения всех лазеров активно изучается, это целое направление в квантовой электронике. И связано оно с открытием фундаментального явления: странных аттракторов. Всё оказалось гораздо глубже и намного интересней, чем можно было представить при самом причудливом воображении. Так называемое нерегулярное колебание в квантовых генераторах связывают сегодня с явлением детерминированного хаоса, и это явление характерно вообще в природе автоколебательных систем. Здесь я отсылаю к работам Ораевского А.Н. Просто , действительно, природу детерминированного хаоса сильно искажают и замазывают механические колебания системы, к которым особенно чувствительны твердотельные лазеры.

Параллельно в лаборатории развивались прикладные и научные приложения этого лазера. Среди них отметим такие как:

Лазерная локация - целый цикл работ в Томске. Экспериментально измерялся коэффициент поглощения излучения атмосферой на длине волны 2.32 мкм. Сегодня эти работы востребованы в квантовой криптографии. Строятся целые квантовые криптографические линии. Доказано, что передача информации с помощью лазерного излучения практически не может быть расшифрована.

Проводилось исследование экситонов в полупроводниках ( Зубов Б.В.)

Лазер на ионах эрбия иттрий-алюминиевого граната абсолютно не подчинялся канонам построения лазеров инфракрасного диапазона и был "гадким утёнком". Действительно - это лазер на так называемых самоограниченных переходах (время жизни нижнего лазерного уровня намного больше времени жизни верхнего), квантовый выход с верхнего лазерного уровня всего 1%, концентрации активного элемента требовались значительные и наблюдалась масса кросс-релаксационных переходов за счёт ион-ионных взаимодействий. Трудно было даже представить, что вся эта динамика приведёт к положительным, с точки зрения лазера, эффектам . Здесь снова хочется отметить удивительную интуицию Тамары Михайловны как физика. Как показали эксперименты, наблюдалось несовпадение оценок эффективности лазера с полученными экспериментальными данными. В эксперименте эффективность при возрастании энергии накачки превышала оценки, и чем больше концентрация активных ионов, тем разительнее наблюдалось отличие.

Действительно, интуиция не обманула Тамару Михайловну. При исследовании всех процессов, которые ответственны за формирование инверсии населённости между лазерными уровнями были открыты новые явления в физике переноса энергии, так называемые трёхчастичные взаимодействия (работы Студеникина М.И.), возможность применения ап-конверсионных процессов для формирования инверсии населённости. В конечном итоге было показано, что наиболее эффектно осуществлять возбуждение активного иона за счёт накачки в нижний лазерный уровень. Такого рода эксперименты проводил Попов А.В.

Окончательно были получены следующие параметры эрбиевого лазера:
Длина волны излучения - 2.94 мкм.
Работа лазера при комнатной температуре.
Достигнута эффективность генерации излучения 3% при ламповой накачке и 20% при когерентной накачке.

В настоящее время механизм формирования инверсии населённости в таких средах полностью воспринят научной общественностью, а сам лазер востребован во многих приложениях, вошёл в промышленные разработки во всём мире. Он встал в один ряд по широте применений с твердотельным лазером на ионах неодима. Нельзя не отметить его применимость в медицине , так как длина волны 2.94 мкм эрбиевого лазера на кристаллах иттрий алюминиевого граната точно совпадает с линией поглощения молекул воды. Например, эмаль зуба на этой длине волны имеет поглощение 10 000 см^-1. Это даёт возможность при обработке зуба послойно снимать эмаль на уровне 1-2 мкм. В рамках лаборатории были построены стоматологические лазерные установки. Здесь большая заслуга Лобачёва В.М. Кратко перечислю другие научные направления лаборатории:

• Исследование дефектов в полупроводниках. Калинушкин В.П.
• Исследования в биологии. Зубов Б.В.
• Исследование дефектов щёлочно-галоидных кристаллов. Данилов В.П.
• Тамара Михайловна активно работала по применению лазеров в авиации с сотрудниками Военно-воздушной инженерной академии имени Н.Е.Жуковского .

Научная работа Тамары Михайловны отражена в более чем 150 публикациях самых престижных научных журналов по физике:
Квантовая электроника, Доклады Академии Наук СССР, Кристаллография, Письма в ЖЭТФ, Physical Review, ЖТФ, ФТТ и другие. Сюда же нужно отнести её многочисленные выступления на международных конференциях.

Жизнь Тамары Михайловны в науке была яркой и плодотворной.