НИЯУ МИФИ, ВНИИЭФ и Институт общей физики РАН: ЭЛЬФ (Экспериментальная лазерно-физическая установка)

Основная статья: Лазерное оборудование (лазеры) (рынок России)

2025: Начало монтажа пространственного вакуумного фильтра силового усилителя

В Научно-лабораторном корпусе университета МИФИ начался монтаж самого крупногабаритного оптического элемента – пространственного вакуумного фильтра силового усилителя лазерного комплекса ЭЛЬФ. Об этом университет сообщил 13 марта 2025 года.

𝓲

Фото: МИФИ

Необходимость такого устройства связана с тем, что мощные лазеры, по своей конструкции состоят из последовательности усилительных каскадов. Первичный лазер (задающий генератор) имеет энергию всего в десятимиллиардную долю джоуля и размер пучка в 10 микрон, а на выходе мы должны получить энергию около десяти килоджоулей с размером 20х20 см. То есть необходимо усилить лазерное излучение в 10 в 13 степени раз. Фокусировка этого излучения на мишени в пятно размером менее 100 микрон и позволяет создать давления и температуры в веществе аналогичные центрам звезд. Однако в процессе усиления лазерный пучок распространяясь через дисковые активные элементы (слэбы), линзы, оптические окна сильно искажается, что в конечном счете не позволяет сфокусировать его в пятно нужного размера. Вакуумный пространственный фильтр, к монтажу которого мы приступили, как раз нужен для того, чтобы максимально очистить лазерный пучок от тех искажений, которые возникают в процессе усиления, – сказал директор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андрей Кузнецов.

Вакуумный пространственный фильтр ЭЛЬФа имеет длину 15 метров, внутренний диаметр труб светопровода 900 мм, общий вес около четырех тонн. Принцип работы оптических пространственных фильтров основан на фурье-оптике: виньетировании пространственных частот высоких порядков диафрагмой размещенной в фокальной плоскости транспортной линзы. По существу, это большой телескоп с дистанционно управляемым диафрагменным узлом. Для чего нужен вакуум? Чтобы в перетяжке этого излучения не зажигалась плазма. «Очистка» лазерного пучка от искажений – это последовательное перестроение излучения от одной линзы к другой через диафрагмы разного диаметра.

Силами наших сотрудников, аспирантов и студентов трубы светопровода собираются в единый вакуумный объем. Расчет, проектирование и разработку рабочей конструкторской документации делали своими силами, а вот производственную площадку, на которой можно было бы изготовить вакуумный объем таких размеров, пришлось долго искать. В результате вакуумные трубы изготовлены в Нижнем Новгороде (ООО «Технопарк»), а центральный вакуумный отсек в Тамбове (ООО «ЭРСТВАК»). Если попытаться оценить степень готовности к запуску лазерного комплекса, то к настоящему времени закончено изготовление вакуумной мишенной камеры, запущен в работу задающий генератор и система предварительного усиления, смонтирован общий стапель, собраны и установлены корпуса модулей силового усилителя. Работы еще много, но, полагаю, что к осени монтаж основных узлов установки закончим. А дальше – монтаж системы накопления и коммутации электрической энергии для накачки импульсных ламп, отработка дистанционного управления лазерным комплексом, юстировка оптической система лазера. Сроки сжаты, ведь в 2026 году запланирован физический запуск экспериментального лазерно-физического комплекса ЭЛЬФ, – заключил Андрей Кузнецов.

2022: Работа над созданием многофункциональной лазерной установки

В НИЯУ МИФИ ведется работа над созданием многофункциональной лазерной установки килоджоульного уровня энергии «ЭЛЬФ» (ЭЛЬФ – Экспериментальная Лазерно-Физическая установка; англ.: ELF - Experimental Laser Facility). Этот лазер нужен и мировой науке, но нужен он и университету, поскольку крупные, такого рода установки на декабрь 2022 года являются необходимой принадлежностью университета. Проект поддержан программой Приоритет 2030. Об этом 21 декабря 2022 года сообщили представители НИЯУ МИФИ.

Вакуумная мишенная камера лазерного комплекса «ЭЛЬФ»

Как сообщалось, научная инфраструктура такого масштаба выполняет три функции: во-первых, позволяет получать научные результаты мирового уровня, которые бы воплощались в высокоцитируемых публикациях; во-вторых, обеспечивает возможность обучать студентов работе на мощных, дорогостоящих установках, аналогичных тем, на которых они будут работать в научных коллективах после выпуска; и в-третьих такая установка должна способствовать включению университета в мировую научную повестку.

Идея заключалась в том, чтобы создать не просто мощный лазер, а лазер с «пользовательским интерфейсом», который по своим характеристикам обеспечивает широкий спектр возможностей для исследований ученым из разных лабораторий и институтов. То есть, установка должна стать поставщиком «универсальной научной услуги». Дело в том, что на декабрь 2022 года мощные лазеры могут использоваться в экспериментах в самых разных научных областях – таких как, термоядерный синтез, физика плазмы, экстремальные состояния вещества и даже лабораторная астрофизика. Последняя область, получившая популярность в 2022 году, пожалуй, особенно интересна - она предполагает моделирование с помощью лазеров в лабораторных условиях процессов, подобных тем, что происходят в недрах звезд и при взрывах сверхновых, и таким образом делать вывод о физике вселенной. По словам директора Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андрея Кузнецова, «ЭЛЬФ» должен работать в режиме «фабрики фотонов», вырабатывая лазерные импульсы по «заказам» работающих на нем ученых, которые могут запросить лазерное излучение с определенными параметрами – нужной энергии, спектра, длительности и временной формы импульса, а также с набором сопутствующих диагностик.Профессиональные дисплеи для медучреждений: как цифровые технологии улучшают качество обслуживания пациентов и работу медперсонала 2.3 т

В мире лазерные установки килоджоульной мощности как правило создаются странами, которые обладают технологиями для создания еще более мощных установок мегаджоульного уровня энергии. Таких стран на декабрь 2022 года в мире сейчас пять: США, Франция, Россия, Китай, Япония. При этом, как показывает опыт иностранных коллег «в паре» с национальными установками мегауровная работают университетские установки. Это относится и к лазеру LULI2000, который работает во Франции в École polytechnique, и к лазеру Omega в Рочестерском университете США. Дело в том, что эксперимент на установке мегаджоульной мощности может сотни тысяч долларов, но его можно существенно удешевить, если некоторые «компоненты» эксперимента - например предполагаемые режимы – отработать «в малых масштабах» на университетских лазерах. Между тем, в Сарове специалистами ВНИИЭФ уже создается лазерная мегаустановка мегаджоульного уровня энергии, «дополнительной» по отношению к которой и будет «ЭЛЬФ». Кстати, тесное взаимодействие лазерных мегаустановок с атомной энергетикой также является мировой традицией.

Основой для «ЭЛЬФа» стала элементная база уже существующей в Сарове килоджоульной лазерной установки «Луч». Однако, речь не идет о создании копии «Луча». За последние два года рабочая группа, состоящая из сотрудников ВНИИЭФ и НИИ МИФИ предложила оригинальную схему усиления лазерного излучения. Если в стандартной схеме «Луча» при одном и том же количестве усилительных элементов можно было генерировать лазерный импульс с энергией порядка одного килоджоуля, то в «ЭЛЬФЕ», как показывают расчеты, при тех же затратах входящей энергии можно увеличить энергию импульса до 6 килоджоулей.

Планируется, что у «ЭЛЬФа» будет два канала: один будет генерировать импульс с длительностью 5-20 наносекуд - с пикосекундной длительностью импульсов. На декабрь 2022 года в мире вообще ощущается дефицит лазеров килоджоульной мощности, а установки, в которых бы можно было бы одновременно использовать два пучка нано- и пикосекудной длительности в мире нет. Уникальные свойства «ЭЛЬФа позволят ему «работать» в рамках исследований, недоступных для других существующих лазерных установок, изучать свойства материалов при высокоскоростном деформировании, распространение в веществе ударных волн, изучать многие свойства горячей плазмы, которые могут пригодиться и астрофизикам и при проектировании термоядерных реакторов.

На декабрь 2022 года происходит создание инфраструктуры под размещение лазера. Установка разместится на первом этаже научно-лабораторного корпуса НИЯУ МИФИ в помещениях общей площадью 600 квадратных метров, а ее сердцем будет «Лазерный зал» площадью 300 квадратных метров где в условиях «чистой зоны» разместится крупногабаритное лазерно-оптическое оборудование.

2021: Поддержка программы «Приоритет 2030»

В 2021 году проект получил поддержку программы «Приоритет 2030».

2020: Соглашение о создании лазерной установки

в 2020 году было заключено соглашение о создании лазерной установки межу НИЯУ МИФИ, ВНИИЭФ и Институтом общей физики РАН (позже к этому же соглашению подключился ФИАН).

2018: Поддержка Академии наук

В 2018 идея создания «ЭЛЬФа» получила поддержку Академии наук.

2015: Идея создания

Идея создания «ЭЛЬФа» появилась примерно в 2015 году.