Аннотация результатов, полученных в 2019 году
При реализации первого этапа проекта были разработаны и изготовлены все требуемые активные элементы для функциональных преобразователей оптических сигналов видимого и ближнего ИК диапазонов (6 штук). Для исследования возможностей функционального преобразования оптических сигналов средами на переходах атомов щелочных металлов были разработаны 4 активных элемента. Параметры активных элементов с продольной накачкой (2 шт.) следующие: длина активной зоны (нагреваемой части) составляет 8 см, вставка из стали имеет наружный диаметр 1,4 см, внутренний 1,2 см. Подача металла осуществляется с помощью фитиля (сетка с ячейкой 0,5*0,5). Для поперечной накачки используется активный элемент квадратного сечения (5*5 см), для ввода оптического излучения предусмотрены охлаждаемые фланцы, что предотвращает загрязнение выходных окон. Разработана конструкция кюветы высокого давления (до 10 атм.). Для исследования функциональных преобразователей на самоограниченных переходах атомов меди и марганца с емкостным типом возбуждения были разработаны 3 активных элемента. Один из активных элементов предназначен для детального исследования процессов возбуждения активной среды барьерным емкостным разрядом. Параметры работы активных сред определяются внешними терморегуляторами, что позволяет сохранять режим работы активного элемента при варьировании параметров возбуждения. Активные элементы функциональных преобразователей на переходах атома меди и марганца имеют длину активной зоны 50 см и диаметр 2,5 см. Предусмотрена возможность изменения давления и сорта буферного газа. Для высокочастотного возбуждения функциональных преобразователей на самоограниченных переходах атомов металлов был спроектирован источник питания, обеспечивающий следующие параметры: частота следования импульсов не менее 150 кГц, стабильность положения импульсов возбуждения не хуже 2 нс, амплитуда импульсов не менее 8 кВ, мощность не менее 500 Вт. Эффективность (КПД, коммутационные характеристики, предельная ЧСИ) генератора импульсов возбуждения во многом определяется быстродействием коммутаторов, их синхронного переключения, а также частотой переключения. В качестве транзисторов были выбраны IRZ60R037P7, а в качестве их драйверов – ультрабыстрые IXDD609. Таким образом, запускающие импульсы с длительностью фронта 10 нс и общей длительностью 40 нс достигают затворы транзисторов с точностью не хуже, чем 2 нс, относительно друг друга. В условиях эксперимента при проверке работы на ГРТ (диаметр активной зоны 1 см, длина 25 см), было получено напряжение накачки 3 кВ, амплитуда тока 10 А, мощность излучения 100 мВт при ЧСИ 150 кГц. Излучение формировалось плоскопараллельным резонатором. Мощность, потребляемая источником накачки от сети, составляла 340 Вт. Концентрация рабочего вещества определялась исходя из максимума мощности генерации. Следует отметить, что при повышении частоты со 100 кГц до 150 кГц излучение было сосредоточено на длине волны 578,2 нм (90%). Для исследования передаточных, усилительных и частотно-энергетических характеристик был разработан макета бистатической лазерной активной оптической системы. Система включает в себя активные элементы на переходах атома меди и марганца для формирования входного сигнала (источник подсветки), блоки возбуждения, блоки синхронизации, функциональные преобразователи на переходах атома меди и марганца (с емкостным типом возбуждения), блок формирования заданного распределения интенсивности. Предусмотрена регистрация оптических и электрических характеристик, а также высокоскоростная регистрация оптических изображений с помощью камер MegaSpeed-103 и AOS Q-PRI (10-100 мкс), а также SWIR камеры (производство НПО «Орион»). Система синхронизации обеспечивает согласованный режим работы функционального преобразователя оптического сигнала (усилителя яркости) и источника подсветки (лазера). Цифровая система синхронизации выполнена на базе микроконтроллеров STM32F03С. Для регистрации оптических сигналов используются фотоэлементы коаксиальные с блоками питания (видимый диапазон), фотодиоды Thorlabs DET10A/M (видимый диапазон), DET10N/M (InGaAs biased detector – ближний ИК диапазон). Для оценки эффективности работы функционального преобразователя на переходах атомов металлов была разработана программа оценки численных (информативных) показателей качества массива изображений, полученных при различном режиме работы активной оптической системы. Для каждого изображения из массива определяются значения Средней яркости, Энтропии, среднеарифметические значения для Среднеквадратичной ошибки и Нормированного коэффициента корреляции. В программе предусмотрено определение эталонного изображения, с которым происходит сравнение. Была получена усилительная и передаточная характеристики: зависимость коэффициента однопроходового усиления и мощности сверхсветимости от концентрации рабочего вещества. Исследования проводились для активной среды на переходах атома марганца. Характер изменения указанных параметров сохраняется с увеличением частоты вплоть до 125 кГц. Несмотря на достаточно большие вкладываемые мощности, коэффициент усиления сигнала снижался весьма значительно уже при температуре контейнера 590 С. Следует обратить внимание, что в рамках данного исследования измерения проводились для видимого диапазона спектра, т.е. регистрировалось излучение на линиях 534,1 и 542 нм. Очевидно, что изменение концентрации паров рабочего вещества и, в целом, режима работы активного элемента приводит к перераспределению усиления между переходами в ИК и видимой областях спектра. Для демонстрации искажений, вносимых в передаваемый сигнал (изображение), были получены изображения объекта при различных условиях работы. Впервые были получены изображения в лазерном мониторе со SWIR камерой. Была определена чувствительность разработанных функциональных преобразователей в достаточно широком частотном диапазоне (от 10 до 100 кГц). Для оценки чувствительности функциональных преобразователей оптических сигналов необходимо рассчитать собственный шум активного элемента. Очевидно, что среды на самоограниченных переходах атомов металлов представляют собой узкополосные усилители. Следовательно, важным параметром является как полоса усиления, так и энергия фона (шума). Было установлено, что вклад столкновительного уширения составляет 0,5% от итогового уширения, что объясняется малым давлением буферного газа в активном элементе. Используя функцию Фойгта определены итоговые профили усиления (полоса усиления) для переходов атома меди и марганца. Ширина по основанию составляет 2,06 пм (510,5 нм), 2,34 пм (578,2 нм), 2,6 пм (534,2 нм и 542 нм), 6,26 пм (1289 нм), 6,47 пм (1332 нм), 6,62 пм (1362 нм). Уровень шумов составляет порядка 11 пДж для «видимых» линий и 0,35 пДж для ИК переходов. С увеличением частоты до 100 кГц энергия шумов падает до 2 пДж для «видимых» переходов и до 0,05 пДж для ИК переходов. Полученные результаты позволяют сформулировать требования к входным сигнала – их длительности (от 20 до 40 нс), к спектральной ширине (не более 2 пм) и энергии (не менее 22 пДж). Для описания процесса преобразования оптических сигналов ИК диапазона в видимый диапазон спектра с помощью активных сред на переходах атома марганца была разработана математическая модель. Верификация осуществлялась по имеющимся экспериментальным данным. В рамках этапа была разработана нульмерная кинетическая модель активной среды на переходах атома марганца с буферным газом неоном. Для расчета скоростей процессов в плазме использовались экспериментальные данные и аналитические приближенные формулы. В частности, для возбуждения электронным ударом по электрическим дипольным переходам использовалась формула Меве. Для квадрупольных переходов предложенная Меве аппроксимация дает сильно завышенные значения скоростей реакций, поэтому для них мы использовали понижающий коэффициент, оценка которого была произведена по данным для атомов меди. Для ионизации электронным ударом использовалась формула Лотца. Скорости процессов девозбуждения и тройной рекомбинации рассчитывались исходя из соотношения детального баланса. Силы осцилляторов соответствующих переходов брались из открытых источников. В модель заложены уравнения на концентрации компонентов плазмы (атомов марганца и неона в каждом из учитываемых состояний), уравнения на плотность фотонов для каждого из учитываемых лазерных переходов, уравнение на температуру электронов. Для описания процесса энерговклада в модели используются дифференциальные уравнения, описывающие схему накачки и разрядного контура. Для оценки работоспособности модели были проведены расчеты функционирования среды на переходах атома марганца в газоразрядной трубке длиной 30 см и диаметром 1 см, заполненной неоном под давлением 30 торр, и возбуждаемой схемой прямого разряда емкости значением 500 пФ, заряжаемой до 10 кВ, на частоте 15 кГц. Для активного элемента были рассчитаны временные зависимости основных компонент плазмы. Одной из главных сложностей при построении модели активной среды на парах марганца является недостаток прямых экспериментальных данных, характеризующих ИК переходы. Поэтому часть данных, характеризующих данные переходы, мы получали путем оценок на основе сравнения экспериментальных временных и энергетических характеристик излучения на ИК переходах, полученных нашей группой, с результатами кинетического моделирования. Таким образом, наша модель послужила также инструментом для изучения ИК переходов на основе косвенных данных, которые мы можем измерить в экспериментах. Для детального изучения процессов, протекающих в активном объеме среды на переходах атомов металлов, была разработана пространственно-временная кинетическая модель, в которой предусмотрена возможность задания параметров входного оптического сигнала. Спектральный состав входного сигнала совпадал с контуром усиления среды на парах меди. Главным преимуществом модельного исследования усилительных характеристик является то, что в модели мы можем четко разделить ту часть излучения, которая получилась в результате усиления входного сигнала (УВС), и ту часть излучения, которая является усиленным спонтанным излучением (УСИ). Для получения интегральных характеристик мы задавали равномерный по времени и пространству, параллельный оси ГРТ оптический входной сигнал такой длительности, чтобы он заведомо перекрывал всю длительность инверсии в активной среде с длиной нагреваемой части 20 см и диаметром 1 см. Показано, что чувствительность выходного сигнала к малым изменениям входного сигнала монотонно убывает с увеличением мощности входного сигнала, т.е. усиление входного сигнала перекрывает изменение УСИ. Стоит также отметить, что область малых входных сигналов, несмотря на наивысшее значение дифференциального усиления, характеризуется также очень малым отношением УВС к УСИ, что делает прямое измерение выходного сигнала проблематичным. Эту проблему частично можно решить, вычитая из всего выходного сигнала УСИ, предварительно измеренное в отсутствии входного сигнала. По результатам этапа было подготовлено 8 статей, 4 вышли в отчетном периоде.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках второго этапа были выполнены работы по повышению быстродействия активных элементов на самоограниченных переходах атомов металлов. Проведена оценка эффективности передачи энергии в активную среду при бесконтактном возбуждении. Для этих целей была разработана и изготовлена диагностическая ГРТ, конструкция которой включала зонды для регистрации импульсов напряжения на активном промежутке и тока через ГРТ. Синхронно с осциллограммами были получены изображения разряда при различном напряжении на высоковольтном электроде (от 1 до 8 кВ). Каждый кадр формировался за 3 мкс. За счет оптимизации режима работы активных элементов на переходах атома меди и марганца, а также оптимизации режима возбуждения, была достигнута рекордная частота усиления (излучения) при возбуждении продольным емкостным разрядом. Мощность генерации при ЧСИ, равной 150 кГц, составила 60 мВт. Мощность генерации на 100 кГц и 125 кГц составляла 490 мВт и 195 мВт соответственно. Амплитуда импульсов тока возбуждения снизилась с 23,5 А до 13 А. Диаметр пучка снизился с 0,7 до 0,5 см. Следует также подчеркнуть, что режим возбуждения не приводил к провалу интенсивности излучения в центре пучка, несмотря на то, что это всегда наблюдается в активных элементах при традиционной накачке. При повышении частоты следования импульсов возбуждения в активных элементах малого и среднего объема, барьерный емкостной разряд не позволяет использовать водородосодержащую добавку. При уменьшении емкости электродов, пороговое значение мощности накачки (по источнику питания) составило 1600 Вт. Именно необходимость превышения порогового значения по напряжению, прикладываемому к разрядному промежутку, и по удельному энерговкладу, не позволили получить генерацию на частотах свыше 100 кГц при наличии добавки HBr. На основании модельных и экспериментальных исследований проведена оптимизация источника возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов на основе полупроводниковых коммутаторов. Была доработана конструкция и оптимизированы временные параметры коммутации каждого элемента. Достигнута частота импульсов возбуждения активной среды с емкостным типом разряда – 200 кГц, мощность источника накачки составляет 600 Вт. Время нарастания напряжения на коммутаторе 4 нс . Время нарастания тока на нагрузке (газоразрядная трубка) 30 нс. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование усилительных характеристик функциональных преобразователей, в том числе для отдельных спектральных диапазонов. Для среды на переходах атома марганца исследование для ИК (1,29; 1,33 мкм;) и видимого (534,1; 542 нм;) диапазонов, для среды на переходах атома меди отдельно на линиях 510,6 нм и 578,2 нм. Проведен анализ влияния параметров входного сигнала на собственный шум и усиление, в том числе, при передаче сигнала с заданным распределением интенсивности. Исследование процесса преобразования сигнала в рамках одного импульса. Установлен характер зависимости усиления активной среды, в том числе на каждом спектральном диапазоне, от уровня входного сигнала. Усиление малого сигнала при ЧСИ 100 кГц составляет 0,2 см^-1. Чувствительность функционального преобразователя составляет (0,004÷0,027)% от мощности сверхсветимости. Такие исследования были проведены для каждой спектральной линии функционального преобразователя при различных условиях. На основе разработанной на прошлогоднем этапе нульмерной модели активной среды на парах марганца, была построена радиальная (одномерная пространственно-временная) модель этой активной среды. Опыт разработки модели активной среды на парах меди показал, что введение радиальной переменной в модель позволяет не только исследовать радиальные профиля параметров плазмы, но и в целом дает значительно лучшее согласие с экспериментом для интегральных характеристик, особенно на высоких частотах для небольших трубок. Хотя в нульмерной модели и учитывались диффузионные процессы, при изменении толщины трубки и частоты радиальные профили концентраций могут существенно меняться, что не позволяет сделать универсальный учет диффузии без решения уравнений в частных производных. Отдельно рассмотрены вопросы граничных условий на концентрацию ионов марганца на стенке ГРТ, т.к. его выбор является нетривиальным. Во всех известных нам работах по математическому описанию разряда в активных средах на парах металлов использовалось однородное граничное условие первого рода, т.е. концентрация ионов полагалась нулевой на стенках ГРТ. Это является приближением контрагированного разряда. В этом случае при использовании приближения квазинейтральности плазмы мы не имеем права ставить граничное условие первого рода на температуру электронов на стенках ГРТ, полагая ее равной температуре стенок ГРТ, т.к. если в пристеночной области нет ионов, то не должно быть и электронов, т.е. электронный газ не взаимодействует со стенками ГРТ. На основании проведенных экспериментальных исследований были определены пороговые уровни накачки, при которых уверенно фиксируется излучение активной среды на переходах атома натрия. Для накачки использовался вторая гармоника твердотельного лазера (производство LOTIS), которое перестраивалось с помощью красителя. Для накачки натрия наиболее оптимальным является Родамин С. Энергия импульса накачки составляла 50 мДж, длительность импульса 18 нс. В рамках этапа был реализован действующий макет бистатической лазерной активной оптической системы. Была проделана работа по визуально-оптической диагностике процессов, протекающих в условиях фонового излучения, с помощью активной среды на парах бромида меди. Максимальная скорость съемки составляла 15000 кадров/сек, длительность импульса подсветки и усиления 45 нс. Достигнутые результаты представлены в 7 научных публикация, в том числе 3 в изданиях из первого квартиля (Q1).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Разработан активный элемент на парах хлорида марганца, снабженный контейнером с цеолитом, насыщенным HCl. В отсутствие водородосодержащей добавки напряжение ГРТ составило 10,2 кВ, ток ГРТ – 174 А. Время нарастания импульса напряжения по уровню 10%-90% составило 21,1 нс. Длительность импульса излучения по основанию равна 38,5 нс, по уровню 0,5 от амплитуды – 12,4 нс. Модификация кинетики АЭ путем добавки HCl (100 ℃) привела к увеличению напряжения на ГРТ до 12,3 кВ. Время нарастания импульса напряжения при этом составило 25 нс, длительность импульса излучения по основанию – 46 нс, по уровню 0,5·Um– 19,8 нс. Также наблюдалось увеличение диаметра пучка. Для исследования возбуждения барьерным емкостным разрядом был изготовлен АЭ (l=50 см, d=3 см) с возможностью изменения емкости электродов, изготовленных из ниобиевой фольги. Частота следования импульсов (ЧСИ) возбуждения увеличивалась до 125 кГц за счет таситрона ТГУ1-1000/25. При ЧСИ 52,5 кГц напряжение составило 6,2 кВ, ток 260 мА. Было зафиксировано усиление как в видимой области спектра, так и в ближней ИК. Длительность импульса видимого излучения по уровню 0,5·Um составляет 9,52 нс. Длительность импульса ИК излучения составляет 9,05 нс. Импульс ближнего ИК излучения возникает раньше видимого на 9,55 нс по уровню 0,1·Um в отличии от экспериментов с традиционной накачкой при ЧСИ 17 кГц, где импульс видимого излучения появлялся раньше ИК на 4,2 нс. Было разработано 3 действующих макета лазерных активных оптических систем, в том числе, макет бистатической лазерной активной оптической системы для решения научно-практических задач высокоскоростной диагностики, обработки материалов в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Впервые экспериментально показано, что фоновая засветка сплошного спектра начинает вносить искажения в изображения, формируемые на выходе функционального преобразователя (усилителя яркости) не за счет превышения собственного шума усилителя, а за счет высокой энергии сигнала, что приводит к наложению двух изображений. Предельное временное разрешение не хуже 8 мкс, пространственное не хуже 10 мкм. Синхронизация с внешними сигналами (процессами) осуществлялась с джиттером не более 10 нс. Создан макет лазерной активной оптической системы, позволяющий в широком диапазоне изменять параметры входного сигнала функционального преобразователя. Макет был снабжен двумя скоростными камерами (AOS-Q-PRI, MegaSpeed 103S) для исследования процессов взаимодействия излучения иттербиевого волоконного лазера (ЛС-07Н) с мишенями из различных оксидов. Проведенные эксперименты позволили установить, что при снижении мощности и интенсивности лазерного излучения уменьшается количество капель. При мощности излучения на мишени 205 Вт и длительности импульса волоконного лазера 1280 мкс капли в половине случаев не образовались, а расплав просто выдавило из кратера. Получены изображения с различным уровнем полезного входного сигнала, уровнем фонового излучения и различным коэффициентом усиления активной среды, что обеспечивалось за счет изменения температуры контейнеров с рабочим веществом, а также путем варьирования параметров воздействия на мишень силового лазера. Получены изображения процесса лазерной абляции, которые позволяют определить минимальный коэффициент усиления, при котором соотношение “полезный сигнал/шум” на сформированных изображениях становится недостаточным для анализа наблюдаемого процесса. Показано, что при визуализации подобных процессов могут возникать негативные эффекты, связанные с проявлениями радиальных неоднородностей профиля коэффициента усиления, особенно при работе на повышенных частотах (50 – 125 кГц). За счет оптимизации режима работы и возбуждения активной среды на парах хлорида марганца удалось достигнуть одновременного формирования изображений в видимом и ближнем ИК диапазоне с качеством, достаточным для математического анализа. На примере визуализации тестовых объектов и процессов, экранированных фоновой засветкой, показаны перспективы практического использования подобных систем визуализации. Следует отметить, что при визуализации в ИК диапазоне использовалась SWIR-камера с InGaAs-сенсором российского производства (НПО «Орион», г. Москва). Таким образом, реализована система, позволяющая получать усиленные по яркости изображения объекта, экранированного широкополосным шумом, одновременно в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра с временным разрешением не хуже 100 мкс. Для теоретического исследования особенностей работы функциональных преобразователей на парах металлов была доработана модель на основе И-регулятора с цепью запаздывания. Модель построена в пакете Simulink. Результаты моделирования находятся в очень хорошем согласии (отклонение менее 10%) с полученными экспериментальными результатами в части влияния задержек на контраст формируемых изображений и значении мощности выходного сигнала. Предложена модель функционального преобразователя оптических сигналов, описывающая процесс усиления сигнала, в том числе при достаточно малых уровнях входного сигнала. Экспериментально определены предельные характеристики систем формирования мощных сигналов с заданным распределением интенсивности в системах с функциональными преобразователями оптических сигналов. В рамках исследования варьировалась мощность входного сигнала, распределение интенсивности, а также временная задержка между импульсами возбуждения функционального преобразователя и источника подсветки. Согласование импульсно-периодических режимов работы активных элементов обеспечивает мощность излучения Pвых=4,5 Вт при мощности входного сигнала 150 мВт, что соответствует коэффициенту усиления G=30. Снабжение экспериментальной установки оптической системой позволяет использовать ее в качестве бистатического лазерного монитора, обеспечивающего формирование сигналов с заданным распределением интенсивности (изображений) с высоким контрастом. Существенно снизить влияние шума удается в схеме бистатического лазерного монитора, поскольку его принцип действия позволяет направить полезный сигнал в активный объем усилителя раньше паразитных отражений. В тех случаях, когда влияние шума несущественно, бистатический лазерный монитор все равно способствует увеличению контраста, поскольку объект наблюдения дополнительно освещается лазерным излучением независимого источника подсветки. Контраст изображений, полученных в бистатической схеме лазерного монитора, как правило, на порядок выше, чем при визуализации в моностатической схеме или с помощью лазерной подсветки. Установлено, что контраст изображений, полученных в бистатическом лазерном мониторе, во многом зависит от фона, который в свою очередь определяется усиленным спонтанным излучением, уровнем технического шума, а также проекционным экраном. Выполнены детальные исследования усилительных свойств сред на парах галогенидов натрия и калия. Изготовлена специальная кювета и проведены экспериментальные исследования усилительных характеристик при накачке в УФ диапазоне, зафиксированы спектры люминесценции и усиленного спонтанного излучения (УСИ). Первая соль из щелочных галогенидов (ЩГ), которую загрузили в кювету, была йодистая соль натрия NaJ. Начиная с температуры кюветы 450 градусов C излучение накачки с λ = 212,8 нм, сфокусированное в центр кюветы, возбуждало спонтанное излучения на известных резонансных линиях натрия λ1 = 589,6 нм и λ2 = 589,0 нм. По мере нагревания кюветы до температуры 600 градусов С излучение длинноволновой линии натрия с λ1 = 589,6 нм переходило в режим УСИ. В ходе экспериментов было установлено, что причина необратимого срыва режима УСИ обусловлена появлением стационарного поглощения на резонансных линиях атома натрия. Аналогичные исследования проведены для солей калия. Получить УСИ удалось лишь на KBr. Уже при температуре кюветы 560 градусов С появлялось спонтанное излучение на резонансных переходах калия с длинами волн λ1 = 770,0 нм, λ2 = 766,5 нм.