Очерки о разработке и внедрении средств диагностики излучения мощных лазеров ИК-диапазона

 
 

 

 

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский  
научно-исследовательский институт экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. М. Муругов  
 
 
ОЧЕРКИ О РАЗРАБОТКЕ И ВНЕДРЕНИИ 
СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ  
МОЩНЫХ ЛАЗЕРОВ ИК-ДИАПАЗОНА 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
г. Саров 
2011 

 
 

 

 

УДК 621.373.826 
ББК 32.86 
М 91 
 
 
Муругов В. М. Очерки о разработке и внедрении средств диагностики излучения мощных лазеров ИК-диапазона. − Саров: ФГУП «РФЯЦВНИИЭФ», 2011, 151 с., ил. 
 
ISBN  978-5-9515-0168-4 
 
В книге изложены методы диагностики энергетических и пространственно-временных характеристик излучения мощных лазеров ИК-диапазона, разработанные в ИЛФИ в рамках первой государственной программы исследований по лазерной тематике в 1965−1975 гг. 
Описан измерительный комплекс аппаратуры с уникальными параметрами, который не имеет аналогов в стране и не известен в открытой литературе. 
Познавательный интерес представляет раздел, описывающий взаимодействие с соисполнителями совместных работ из сторонних организаций по 
разработке приборов с уникальными характеристиками. 
Книга рассчитана на студентов, аспирантов, инженеров и научных сотрудников, занимающихся разработкой и применением мощных лазеров в различных областях науки и техники. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN  978-5-9515-0168-4                                               ©   ФГУП  «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011 

Глава 1 
 

 

4 

 
ГЛАВА 1.  Программа работ по лазерной тематике 
 
                           в СССР и ВНИИЭФ в 1960−1970 годах 
 
Запуск первого лазера в США 15 мая 1960 г. Т. Мейманом в лаборатории американской фирмы «Huges» вызвал глубокий интерес у физиков 
во всем мире, в том числе и в СССР. 
Главным научным центром в нашей стране, где развернулись фундаментальные  исследования  в  области  лазеров,  стал  Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН), а конкретно − лаборатории 
А. М. Прохорова и Н. Г. Басова. «Интенсивное же развитие работ по лазерной тематике в СССР началось после утверждения в 1962 г. первой 
государственной программы исследований по известным в то время направлениям лазерной науки и техники», − пишет в обстоятельной обзорной  статье  один из руководителей этих работ  в  нашей  стране  П. В. Зарубин∗ [1]. 
С начала 1960-х годов на специалистов обрушилась лавина сообщений по лазерной тематике: в каждом номере ведущих физических и инженерных журналов публиковались новые идеи, схемы и конструкции 
лазеров. Новизна физических задач, которые предстояло решить ученым, 
возможность применения лазеров в различных отраслях народного хозяйства вызвали столь большой энтузиазм специалистов, что число научных 
и промышленных организаций, занявшихся исследованиями в этой области физики, нарастало лавинообразно и уже к концу 60-х годов, вероятно, достигло сотни.  
Военные заинтересовались применением лазеров для противоракетной обороны (ПРО) страны, поддерживая и финансируя значительную 
часть работ ученых за счет оборонных статей бюджета. Работы по лазерным системам для ПРО развивались в двух направлениях: лазерная локация и лазерное поражение головных частей баллистических ракет (ГЧБР). 

                                                           
∗ Зарубин П. В.  родился  в  1931 г.  в  семье  выдающихся  советских  разведчиков 
В. М. и Е. Ю. Зарубиных, собиравших информацию об американской атомной бомбе. Он 
один из ведущих специалистов в области лазерной физики, более 30 лет занимался организацией работ по созданию лазерной техники, в том числе лазерного оружия, в СССР, 
возглавлял Главное управление Министерства оборонной промышленности [2]. Неоднократно бывал во ВНИИЭФ и обсуждал ход работ по лазерной тематике. 

 

Глава 1 
 

 

5 

Применение лазерного излучения вместо радиоволн открывало возможности: 
− повышения точности локационных систем ПРО; 
− селекции (распознавания) ГЧБР среди множества ложных целей и 
фрагментов ракеты; 
− преодоления проблемы недостатка времени для решения задачи 
«ближнего» перехвата ГЧБР в течение короткого интервала времени после вхождения в плотные слои атмосферы, когда вследствие торможения, 
нагрева и сгорания ложных целей сигналы от них уже не поступают на 
локаторы ПРО. 
Второе направление работ по лазерным системам для ПРО заключалось в разработке мощного лазера для поражения ГЧБР. Оценки специалистов показали, что для этого потребуется создать лазеры с энергией излучения в импульсе не менее 1 МДж, что превышает уровень энергии для 
лазерной локации в десятки миллионов раз [1]. 
Вполне естественно, что ВНИИЭФ, обладающий мощным научно-техническим потенциалом, активно включился в эту работу, имеющую важное оборонное значение. 
«Бурное развитие лазерной тематики во ВНИИЭФ началось с середины 1965 года. На одной из встреч Ю. Б. Харитон и Н. Г. Басов обсудили вопрос о создании мощных лазеров с энергией излучения в импульсе в несколько мегаджоулей для систем противоракетной обороны. 
На этой встрече Юлий Борисович предложил рассмотреть в качестве источника световой накачки свечение фронта ударной волны в благородных газах, возбуждаемое взрывом обычного бризантного взрывчатого 
вещества (ВВ). Н. Г. Басов с этим предложением согласился, и сотрудники ФИАН и ВНИИЭФ приступили к интенсивным исследованиям по 
созданию мощных лазеров. Во ВНИИЭФ этими исследованиями руководил С. Б. Кормер. 
По предложению Н. Г. Басова и О. Н. Крохина сотрудники 
ВНИИЭФ и ФИАН начали разработку мощных лазеров, инверсия в лазерно-активной среде которых создавалась методом фотодиссоциации 
молекул. Для этого требовался высокоинтенсивный источник света, так 
как фотодиссоциация в основном идет при поглощении квантов света с 
длиной волны 250−290 нм, который во ВНИИЭФ находился в стадии разработки. 
Достаточно оперативно (примерно за полтора месяца) первый лазер 
со взрывной накачкой был изготовлен и испытан 30 декабря 1965 года, 
но… без генерации, которую удалось получить лишь в начале 1966 года, 
когда перешли на другое рабочее вещество C3F7J. Таким образом, был 

Глава 1 
 

 

6 

впервые в мире запущен лазер с взрывной накачкой, который стимулировал разработку в 1971 году стационарного варианта мощного фотодиссоционного лазера с накачкой светом фронта ударной волны, имеюшего 
уникальные параметры: энергию излучения ~1 МДж, спектральную яркость ~5·1011 Вт/Å. Лазер нашел применение в ряде физических исследований, в частности при изучении взаимодействия мощного излучения с 
веществом» [3]. 
Для выполнения ответственных работ по лазерной тематике во 
ВНИИЭФ было создано в 1970 г. специальное подразделение СОФИ-13 − 
сектор оптико-физических исследований (более 200 человек)  во главе  с 
С. Б. Кормером. Сегодня этот коллектив, насчитывающий более 700 человек, называется ИЛФИ – Институт лазерно-физических исследований. 
За прошедшие годы вырос не только численный состав, но и значительно 
расширилась тематика его работ. 
О людях ИЛФИ  и  их  делах подробно рассказывает в своей книге 
Г. А. Кириллов  [3],  руководивший  коллективом  более  20  лет  после 
С. Б. Кормера и передавший «эстафету славных дел и традиций» С. Г. Гаранину в 2004 г. 
О нелегкой жизни ИЛФИ в первые годы его работы вспоминает 
бывший директор ВНИИЭФ Л. Д. Рябев: «К становлению лазерной тематики во ВНИИЭФ многие отнеслись, мягко говоря, не очень доброжелательно. Лишь Ю. Б. Харитон, особенно на первом этапе работ, встал на 
путь твердой поддержки. Были и возражающие, не было поддержки в 
Главке и у руководства Минсредмаша. 
Конечно, такое крупное направление без поддержки не могло существовать. И  она  была  довольно солидная. В первую очередь, от члена  Политбюро  ЦК КПСС  Д. Ф. Устинова. Была поддержка  от  ВПК – 
Военно-промышленной комиссии (Горшков Л. И., Михайлов В. А.). 
Летом 1973 г. Д. Ф. Устинов вместе с министром оборонной промышленности С. А. Зверевым и министром Минсредмаша Е. П. Славским 
на один день прилетали во ВНИИЭФ и много внимания уделили именно 
лазерной тематике» [4]. 
Нельзя не отметить огромной роли в развитии работ по лазерной 
тематике  директоров ВНИИЭФ Музрукова Б. Г. (1965−1974 гг.) и Рябева Л. Д. (1974−1978 гг.). 
В первой половине 1970-х годов около 15 % мощности завода № 1 
использовалось только для решения проблем оптико-физических исследований, проводимых в секторе 13. В то же время во ВНИИЭФ создалась ситуация, когда недостаток мощностей опытного завода стал вли

Глава 1 
 

 

7 

ять на рост научно-технического потенциала института [5]. Этим объясняется «прохладное» отношение части сотрудников ВНИИЭФ к лазерным работам. 
Работы ИЛФИ по лазерной тематике пользовались поддержкой со 
стороны Л. Д. Рябева и позднее, когда он работал в оборонном отделе ЦК 
КПСС и на посту министра Минсредмаша. 
Благодаря всесторонней помощи и поддержке вышестоящих организаций и их руководителей ИЛФИ трудился самоотверженно и творчески. Было создано несколько типов лазеров с рекордными параметрами 
выходного излучения. Наиболее известны из них: 
− мощные  фотодиссоционные  лазеры  (ФДЛ)  со  взрывной  накачкой; 
− мощные ФДЛ с обращением волнового фронта на основе вынужденного рассеяния Мандельштама−Бриллюэна (ВРМБ); 
− моноимпульсные йодные лазеры для лазерного термоядерного 
синтеза (ЛТС); 
− физические установки «Искра-4» и «Искра-5» для изучения проблем ЛТС; 
− химические импульсные и импульсно-периодические лазеры; 
− йодно-кислородные лазеры [3].   
«Несмотря  на  большие  успехи  в  разработке  мощных лазеров… 
ко  второй половине  1970-х годов у разработчиков  ПРО  не  было лазерного луча такой мощности, которая требовалась для поражения ГЧБР. 
Более  того,  не  были ясны  и  пути  достижения  требуемой энергетики… 
В 1978 году с согласия Министерства обороны СССР программа работ по 
этой тематике была закрыта» [1]. 
Итогом этой программы стал колоссальный подъем научного и технического уровня исследований и разработок высокоэнергетических лазеров в СССР. Достигнутые в конце 1960-х – середине 1970-х годов энергетические характеристики лазеров не превзойдены до сих пор. «В стране 
была создана необходимая для обеспечения масштабных лазерных программ конструкторско-техническая, полигонно-испытательная и производственная базы. Были сформированы новые коллективы ученых, инженеров, успешно работающие и в наши дни, расширились лазерные лаборатории в ведущих научных центрах в Москве, Ленинграде, Сарове, Новосибирске и во многих других городах. Эти коллективы наряду с разработками оборонного характера успешно выполняли и другие программы, 
например, создание мощных лазеров для осуществления термоядерного 
синтеза с инерциальным удержанием. 

Глава 1 
 

 

8 

В ходе исследований высокоэнергетических лазеров были применены идеи нелинейной оптики, в частности обращение волнового фронта… 
Это крупное открытие позволило в дальнейшем совершенно по-новому и 
весьма успешно подойти к решению ряда проблем физики и техники 
мощных лазеров, прежде всего проблем формирования предельно узкого 
пучка и его сверхточного наведения на цель. Специалистами ВНИИЭФ и 
ФИАН впервые было предложено использовать обращение волнового 
фронта для доставки энергии на мишень» [1]. 
Конечно, закрытие работ по лазерной программе в стране отразилось и на исследованиях мощных лазеров в ИЛФИ. Произошла некоторая 
переориентация − от лазеров для ПРО в сторону создания мощных физических установок для изучения проблем лазерного термоядерного синтеза. За сравнительно короткий срок на основе фотодиссоционного лазера 
были созданы физические установки «Искра-4» и «Искра-5». Последняя 
успешно проработала более 20 лет, вопреки мнению многочисленных 
скептиков, утверждавших, что на отечественной элементной базе ее создать невозможно. 
В трудные 1990-е,  когда  многое  изменилось  в  нашем  отечестве 
(и далеко не в лучшую сторону), ИЛФИ добился несомненных успехов в 
разработке мощных лазеров и физических установок. 
В чем причина? Ответ неоднозначен. По-моему, успех был обусловлен не только поддержкой руководства института, творческими связями с 
учеными лазерных центров ФИАН, ГИПХ, ГОИ, не только талантом наших физиков-лазерщиков, изобретательностью конструкторов, мастерством рабочих и лаборантов. Немалую роль в успехе сыграло и своевременное обеспечение проводимых исследований необходимой измерительной аппаратурой. Из опыта работы исследовательских лабораторий и 
научных центров известно, что разработка диагностической аппаратуры 
обычно отстает во времени от сроков создания физических установок или 
испытательных стендов − часто надолго, а иногда и «навсегда». В течение 
всех лет работы в ИЛФИ была иная ситуация, когда разработка лазеров и 
измерительной аппаратуры проводились одновременно, а иногда с опережением последней. 
До начала 1970-х годов аппаратуры для диагностики излучения 
мощных ФДЛ с взрывной накачкой просто не существовало, как и самих 
лазеров с их уникальными с точки зрения измерений параметрами излучения: высокими энергетическими характеристиками, наличием движущего  слоя  генерации  на торце,  большими размерами  световых пучков 
∅ ≤ 1,3 м, длиной волны лазерного излучения λ = 1,315 мкм, взрывным 
характером накачки и однократностью работы лазера. Для изучения фи

Глава 1 
 

 

9 

зических процессов генерации в ФДЛ и исследования взаимодействия когерентного излучения с различными материалами при большой плотности 
энергии необходимо знать основные характеристики лазерного излучения: энергию и мощность, расходимость, спектральный состав, распределение энергии и мощности на выходном зеркале резонатора. На начальном этапе разработки ФДЛ методы их измерений не были известны. Методы диагностики, описанные в [6−8], предназначались, в основном, для 
регистрации лишь энергетических характеристик излучения маломощных 
лазеров лабораторного типа, работающих в спектральном диапазоне ∆λ = 
= 0,65−1,06 мкм, и, естественно, не учитывали специфических особенностей излучения ФДЛ со взрывной накачкой. Поэтому их разработка всегда была актуальной задачей, без решения которой невозможно создание 
лазеров специального назначения.  
Особенность разработки методов заключается в необходимости 
комплексного измерения совокупности параметров в каждом отдельном 
опыте (из-за однократного режима работы и высокой стоимости разрушаемого ФДЛ с взрывной накачкой) и может быть реализована с помощью создания специальных измерительных комплексов, состоящих из 
оптической и аппаратурной частей, определенных приборов и методик, 
работающих на различных физических принципах. 
При построении оптических схем комплексов необходимо выполнить следующие требования: все или часть излучения лазера направляется в специальное помещение-каземат в 30−50 метрах от ФДЛ, расположенного на рабочем поле; для одновременной регистрации совокупности 
параметров многими приборами разрабатывается специальная светоделительная, разводящая и перепроецирующая оптика с учетом технических 
характеристик приборов, рангирования и дублирования измерений. 
Аппаратурная часть комплекса должна обеспечить регистрацию отдельных лазерных параметров как в интегральном режиме, так и с разверткой во времени. Для этого запуск измерительных приборов должен 
производиться в определенной последовательности относительно импульса лазерного излучения. 
Таким образом, разработка методов измерений параметров излучения мощных ФДЛ со взрывной накачкой являлась сложной научно-технической проблемой, связанной не только с изучением взаимодействия 
мощного инфракрасного излучения с различными приемниками, но и с 
разработкой специальных регистраторов на их основе, надежно работающих в условиях воздействия сейсмических и ударных волн, а также мощных электромагнитных наводок во время опытов. 

Глава 1 
 

 

10 

Другая существенная часть проблемы измерений связана с созданием лабораторных лазерных стендов на рабочих длинах волн для калибровки и градуировки регистраторов, с разработкой оптических схем измерений, предназначенных для согласования параметров исследуемых 
лазеров и измерительных приборов, с разработкой методов обработки регистрограмм для получения количественной информации об энергетических и пространственно-временных характеристиках лазерного излучения 
и представления ее в виде графиков, рисунков и таблиц. 
Таким образом, разработка физических методов регистрации характеристик излучения мощных ФДЛ имеет комплексный характер и требует 
выполнения большого объема расчетных, исследовательских и конструкторских работ. Для этого была создана группа из трех предприятий: Всесоюзного научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) Госстандарта СССР – аппаратура, Государственного оптического института им. С. И. Вавилова и Ленинградского оптико-механического объединения (ЛОМО) – оптика. Принципы построения 
специального измерительного комплекса ИК-1 были сформулированы основными разработчиками ФДЛ − ВНИИЭФ, ФИАН, ГОИ и НПО «Астрофизика» − в 1966 г. и изложены в техническом задании на разработку. 
Вызывало большое опасение участие в разработке комплекса 
ВНИИОФИ, находившегося в структуре МСМ с 1960 по 1964 гг. и не выполнившего ни одного задания ВНИИЭФ на разработку аппаратуры для 
полигонных испытаний, о чем нам неоднократно напоминал Ю. Б. Харитон, который знал не только коллектив института,  но  и  его  руководство 
(с плохой стороны). 
Репутация института как разработчика и изготовителя аппаратуры 
была невысокой, а его производственная база − слабой. Об этом говорит 
тот факт, что она располагалась в 60-ти подвальных помещениях в разных 
районах Москвы и представляла собой мелкое кустарное производство. 
Неблагополучное состояние с разработкой диагностической аппаратуры неоднократно обсуждалось на НТС при НПО «Астрофизика», проходивших под руководством Н. Г. Басова, но добиться улучшения работы 
ВНИИОФИ так и не удалось. 
Через два года напряженной работы был создан измерительный 
комплекс в макетном варианте, состоящий из 12 фотохронографов, 10 калориметрических и 6 фотоэлектрических каналов, и доставлен во 
ВНИИЭФ, смонтирован, настроен и испытан в серии крупномасштабных 
опытов. Несмотря на большое число недоработок, совместными усилиями соисполнителей удалось не только ввести его в строй, но и провести