МГУ–2012: Международный учебно-научный лазерный центр

Общие сведения. Международный учебно-научный лазерный центр (МЛЦ) был создан в 1989 г. Центр занимается организацией исследований на стыках лазерной физики и других естественных наук – биологии, химии, медицины, экологии, а также обучением и переподготовкой специалистов (в т.ч. иностранных), уже имеющих высшее образование.

МЛЦ является обособленным подразделением МГУ. В своей деятельности МЛЦ широко использует международную кооперацию, привлекает иностранных учёных для проведения совместных научных исследований и учебной работы.

 

Наука.Научно образовательный центр МЛЦ «Фемтосекундная нелинейная и квантовая оптика» в 2012 г. выиграл грант на выполнение НИР «Нелинейная и квантовая оптика микро- и наноструктур» по мероприятию «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. Для выполнения НИР были привлечены 25 молодых учёных, из них 7 аспирантов и 8 студентов физического факультета.

В 2012 г. был получен грант Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по теме «Сверхкороткие лазерные импульсы в нано- и биотехнологиях» (рук. проф. В.А. Макаров). Среди членов Школы – 12 молодых учёных, из них 3 аспиранта и 3 студента физического факультета.

В 2012 г. разработки учёных Центра участвовали в трёх крупнейших международных выставках инноваций, изобретений и новой техники. Проекты завоевали 5 золотых и 1 серебряную медаль: на 40-й международной выставке Inventions Geneva-2012 было представлено 2 разработки в области лазерной физики и нанотехнологий (золотые медали); на 64-й международной выставке в Нюрнберге IENA-2012 – 2 работы по квантовой электронике и нелинейной оптике (золотые медали); в Кувейте на 5-й международной выставке на Ближнем Воcтоке IIFME-2012 – 2 работы в сфере лазерной диагностики и прецизионных измерений (золотая и серебряная медали).

Золотыми лауреатами международных выставок стали В.А.Базыленко (5-кратный золотой лауреат 2012 г.), В.А. Макаров, С.В. Бацев, И.З. Давлетшин и М.С. Уласевич.

В 2012 г. МЛЦ проводил научную работу по основным направлениям:

1. Фундаментальные проблемы лазерной физики и нелинейной оптики;

2. Перспективные лазерные технологии;

3. Лазерная химия, биофизика и биомедицина;

4. Cверхсильные световые поля и их применение

5. Физика поверхности и наноструктур;

6. Квантовая оптика и физика квантовой информации.

МЛЦ является исполнителем исследований по 81 гранту РФФИ и по 9 проектам ФЦНТП. Велись работы по договорам с различными государственными и коммерческими организациями, выполнялись международные контракты.

 

 

Впервые доказана возможность и предложена методика однозначного нахождения координатных зависимостей всех компонент комплексного тензора квадратичной восприимчивости, ответственного за генерацию второй гармоники в одномерно неоднородной пластинке, линейные диэлектрические свойства которой также неоднородны и характеризуются тензором диэлектрической проницаемости диагонального вида. Методика включает измерения интенсивностей волн второй гармоники, генерируемых в специальных условиях с использованием двух вспомогательных эталонных пластинок, что позволяет обойтись без сложных фазовых измерений.

Развита теория отклика атома при его взаимодействии с произвольно поляризованными электромагнитными полями. Теория позволила предложить новый поляризационный метод управления нелинейно оптическим спектром атома, позволяющий значительно повысить эффективность преобразования как в коротковолновую область спектра (ВУФ и рентгеновское излучение), так и в длинноволновую (ТГц излучение).

Показано, что в изотропной гиротропной среде с локальной и нелокальной составляющими кубического по световому полю отклика и дисперсией 2-го порядка могут распространяться как чирпированные эллиптически поляризованные кноидальные волны, так и возникать апериодический поляризационный «хаос».

 

Создан криогенный вакуумный терагерцовый спектрометр с широкополосным генератором ТГц излучения, основанном на генерации излучения в плазме оптического пробоя воздуха. Он позволяет проводить измерения методом «оптический pump терагерцовый probe» с изменением временной задержки между импульсом накачки и зондирования вплоть до полутора наносекунд. С его помощью измерены и проанализированы спектры поглощения ряда красителей, измерена температурная динамика этих спектров. Cоздан компактный терагерцовый спектрометр на основе эрбиевого волоконного лазера, позволяющий получать спектр отражения от исследуемого образца в режиме реального времени.

Разработана методика оценки параметров турбулентности по наблюдениям искажений волнового фронта светового пучка. Разработан новый экспериментальный метод получения термодинамических состояний металлов с температурами ~10 кК и давлениями ~10 кбар (около- и сверхкритическая область фазовой диаграммы) при воздействии лазерных импульсов наносекундной длительности умеренной интенсивности – до 1 ГВт/см² на механически нагруженную поверхность металла. Для экспериментальной верификации этого метода разработана лазерная установка, позволяющая проводить одновременные измерения давления, температуры и отражательной способности с наносекундным временным разрешением.

Предложен и реализован лазерный оптико-акустический метод количественной оценки влияния пористости на локальные упругие модули изотропных композиционных материалов. Метод определения упругих модулей основан на лазерном термооптическом механизме возбуждения ультразвука и измерении фазовых скоростей продольных и сдвиговых акустических волн в образцах. Исследовались образцы металломатричных композиционных материалов на основе силумина, упрочненного микрочастицами карбида кремния SiCв различной концентрации. Показано, что для обеспечения эффективного возрастания упругих модулей при добавлении упрочняющих частиц возникающая пористость образца не должна превышать 2,5 %.

Развиты физические принципы и методы оптического дистанционного зондирования, включая решение задач дистанционного обнаружения малых концентраций газовых примесей в атмосфере и на удалённых поверхностях, на основе регистрации встречных когерентных оптических сигналов с использованием явления лазерной генерации в атмосфере.

Разработана опто-акустическая методика анализа и диагностики оптическими методами старинных бумажных материалов.

 

Разработана лабораторная технология мирового уровня получения органических солнечных фотоэлементов: полимерных солнечных фотоэлементов и фотоэлектрохимических солнечных фотоэлементов (ячеек Гретцеля). Найдены эффективные методы роста монокристаллических плёнок перспективных для органической электроники. Показано, что внутренний квантовый выход фотолюминесценции таких плёнок может достигать 80%. Разработана лабораторная технология получения и характеризации образцов органических полевых транзисторов – полимерных, монокристаллических и монослойных. Развита численная модель органических фотоэлементов, позволяющая рассчитывать их вольт-амперные характеристики в зависимости от уровня допирования активных слоёв.

Методами ИК-Фурье, КР и терагерцовой спектроскопии проводились эксперименты по определению структурных изменений молекул белка, связанных с изменениями функциональной активности, в неводных растворителях.

Разработан новый метод определения средних значений и дисперсии эритроцитов по размерам. Экспериментально получены дифракционные картины от суспензии эритроцитов состоящих из смеси глютеральдегированных и нативных клеток крови в различных концентрациях. Проведены серии экспериментов с пробами крови человека и крысы по изучению влияния фуллеренов, а также наноалмазов с размерами 5, 100, 200, 500 нм и различной функционализацией поверхности на реологические и микрореологические свойства эритроцитов (агрегационные и деформационные параметры) при их инкубировании in vitro. Показано, что при больших концентрациях (более 100 мк/мл), наночастицы оказывают негативное действие на клетки крови, уменьшая их способность деформироваться и ускоряя образование агрегатов в крови. Сделана оценка нагрева эритроцита лазерным излучением в оптической ловушке. Показано, что в типичных экспериментальных условиях эритроцит может нагреваться приблизительно на 5 градусов.

Изготовлены новые физические модели (фантомы) биотканей с содержащимися в них кровеносными сосудами разных размеров и с различной глубиной залегания. Проведено экспериментальное и численное исследование возможности их визуализации при зондировании непрерывным и амплитудно-модулированным излучением видимого и ближнего ИК диапазона. С помощью нейронной сети, обученной с использованием экспериментальных и численных данных, получено решение обратной оптической задачи определения диаметра, глубины залегания и ориентации сосудов.

Созданы методики фемтосекундной нелинейно-оптической визуализации биологических объектов, основанные на процессе генерации оптических гармоник, обеспечивающие уникальное сочетание высокой селективности, высокой чувствительности и высокого пространственного и временного разрешения.

Развит протокол визуализации функциональной активности нейронов в мозге лабораторных свободно движущихся животных, использующий волоконно-оптические методы регистрации флуоресценции генетически встроенных флуоресцентных маркеров. Данный протокол позволяет проводить в режиме in vivo измерения уровня экспрессии маркерного белка в живых животных при их свободном поведении во время и после разнообразных физиологических и фармакологических воздействий.

 

Впервые зарегистрировано образование световых пуль в фемтосекундном лазерном импульсе при филаментации в плавленом кварце в условиях аномальной дисперсии. Минимальная длительность световой пули составляет 11,6 фс, что меньше двух периодов осцилляции светового поля.

Разработана теория четырёхволнового смешения при филаментации мощного фемтосекундного излучения. Показано, что сигнальное излучение в этом процессе генерируется локально, и обратная перекачка в излучение затравки подавлена.

Показано, что формирование рамановского солитона при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в молекулярных газах, определяется появлением аномальной дисперсии групповой скорости на заднем фронте лазерного импульса за счёт ионизации газа.

Найден экспериментально и подтверждён в расчётах специальный режим облучения твёрдой мишени фемтосекундным лазерным импульсом с предымпульсом, в котором предымпульс удаляет слой воды и углеводородов с поверхности мишени в режиме вскипания, что обеспечивает эффективное ускорение основных ионов материала мишени.

Впервые обнаружено формирование плазменных микроструй при воздействии фемтосекундного лазерного импульса на поверхность ряда твёрдых и жидких мишеней.

Предложено использование крупных молекулярных кластеров (SF₆, CF₃I, CF₂Cl₂), образующихся в смеси с газом-носителем (Ar, He), для эффективной генерации жёсткого характеристического излучения (Е~2–4 кэВ) при воздействии на кластерный пучок фс-лазерных импульсов с энергией около 5 мДж и интенсивностью ~10¹⁶ Вт/см². Эффективность генерации достигает величины ~10^-5.

Исследована зависимость выхода К характеристического излучения для различного типа твердотельной мишени (CaF₂, KCl, дентин), находящейся в воздухе, при воздействии на её поверхность последовательностью сфокусированных высокоинтенсивных (I ≈ 3·10¹⁵ Вт/см²) фемтосекундных лазерных импульсов (энергия 0.5 мДж) от глубины формируемого микроканала. Получено, что максимум выхода характеристического излучения слабо зависит от структуры и материала мишени и приходится на 30–50 выстрел, что соответствует глубине микроканала 30–50 мкм. Эффективность преобразования лазерного излучения в К характеристическое рентгеновское излучение (E ~3.7 кэВ) для мишени CaF₂, находящейся в атмосфере воздуха, возрастает с 6·10^-8 (с поверхности) до 10^-7 (в микроканале).

Впервые на пикосекундном масштабе времени зарегистрированы когерентные фононы с терагерцовыми частотами, возбуждённые плазмой, созданной фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью до ~10¹³ Вт/см² в объёме прозрачных кристаллических сред.

 

Исследованы особенности линейного и нелинейного оптического отклика планарных метаматериалов, имеющих форму плоской спирали. Обнаружено, что эффективность генерации оптической второй гармоники (ВГ) в энантиомерах хирального метаматериала определяется типом циркулярной поляризации излучения накачки, что обусловлено формированием различного пространственного распределения локального поля в энантиомерах хиральных структур.

Экспериментально обнаружен эффект резонансного усиления магнитного нелинейно-оптического эффекта Керра при возбуждении локальных поверхностных плазмонов в магнитных наностержнях.

Методами спектроскопической интерферометрии оптической второй гармоники обнаружен эффект генерации токоиндуцированной ВГ в плёнке графена.

Экспериментально обнаружен эффект временного деления фемтосекундных лазерных импульсов в фотонных кристаллах пористого кремния в схеме Лауэ в условиях брэгговской динамической дифракции.

СТМ/СТС исследования металлических стёкол Ni_63.5Nb_36.5 показали наличие щели в плотности состояний в окрестности уровня Ферми. Выявлено, что туннельная проводимость квазилинейно зависит от напряжения смещения в интервале приложенного напряжения от 0.1 В до 0.5 В. Исследования начальных стадий кристаллизации указанных аморфных металлических стёкол показали, что при достаточной длительности отжига при температуре, меньшей температуры объемной кристаллизации, поверхность металлических стёкол состоит из кристаллографически совершенных нанокристаллитов. Были обнаружены три типа поверхностных решёток: гексагональная 7.6Å x 7.6Å; зигзагообразная 7.9Å x 10.3Å и прямоугольная с параметрами 8.4Å x 7.6Å. Обнаружены участки поверхности, на которых наблюдается выход эвтектических слоёв роста Ni₃Nb и Ni₆Nb₇.

Исследован широкий класс нелинейно-оптических явлений при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, разработаны на этой основе новые методы генерации и спектрально-временного преобразования предельно коротких световых импульсов, а также новые методы оптической диагностики быстропротекающих процессов взаимодействия излучения с веществом с аттосекундным временным разрешением. Проведены исследования явлений сверхбыстрой, чувствительной к фазе светового поля туннельной ионизации в газофазных и твердотельных материалах. На этой основе развиты новые принципы и методы нанофотоники и наноплазмоники, включая нанообработку материалов, наноскопию и оптическую обработку информации.

Обнаружена модификация рельефа тонкой твёрдой наноструктурированной плёнки азокрасителя под действием немодулированного ни по пространству, ни по поляризации излучения. Показано, что на поверхности плёнки растут выступы сферической формы (порядка 200 нм), а в условиях фотоинициации процесса транс-цис изомеризации образуются твёрдые «капли» под действием сил поверхностного натяжения.

Разработан новый подход, позволяющий найти вектор состояния и оператор плотности системы, включающей произвольное число связанных нелинейно-оптических параметрических взаимодействий, в представлении Шрёдингера на основе знания эволюции системы в представлении Гейзенберга. С помощью развитой теории получены вектора состояния трёх- и четырёхмодовых запутанных квантовых состояний, которые могут быть сформированы как в апериодических нелинейных фотонных кристаллах, так и в атомарных средах.

Разработана полуклассическая теория динамики атомов в трёхмерной импульсной фемтосекундной оптической дипольной ловушке, основанная на стохастической формулировке динамики открытых квантовых систем и включающая диполь-дипольное взаимодействие атомов между собой. На примере фемтосекундной оптической дипольной ловушки с длительностью импульсов 100 фс для атомов Rb показано, что такая ловушка эффективно удерживает атомы при мощности лазера накачки от нескольких мВт до нескольких кВт. Кроме того, продемонстрировано, что такая ловушка является уникальным инструментом для проведения исследований в области метрологии и высокопрецизионных измерений.

Изучено формирование спектра резонансной флуоресценции двухуровневого атома в присутствии наноплазмонной структуры (металлическая наносфера), облучённных внешним полем. Показано, что управлять спектром можно, изменяя радиус наносферы, поляризацию падающего излучения и положение атома вблизи наносферы.

 

Учебная работа. В 2012 г. 9 студентов старших курсов физического факультета прошли в МЛЦ научно-исследовательскую и дипломную практику, 1 слушатель прошел стажировку. По языковой программе, рассчитанной на сотрудников, аспирантов и студентов старших курсов МГУ, обучались 4 человека.

 

Конференции. Сделано 152 доклада на российских и международных конференциях. МЛЦ организовал и был со-организатором 8-ми национальных и международных школ и конференций, в т.ч.

– XIV школа молодых учёных «Актуальные проблемы физики» (г. Звенигород, Россия);

– 2-я летняя китайско-российская школа молодых учёных по лазерной физике и прикладной фотонике (г. Тиандзин, КНР, авг.);

– 2-й совместный российско-китайский симпозиум по лазерной физике (окт.).

 

Публикации. Опубликовано 126 статей в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах. Студенты различных факультетов стали авторами и соавторами более чем 80 статей и докладов.

Адрес сайта МЛЦ: http://www.ilc.msu.ru