МГУ–2016: 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, созданием и эксплуатацией уникальных многоцелевых лазерных и оптических систем коллективного пользования для научно-исследовательской и учебной работы, проведением научных исследований по разработке фундаментальных основ новых наукоёмких технологий, использующих лазерное излучение. Важное место занимает обучение и повышение квалификации специалистов, уже имеющих высшее образование. В своей деятельности МЛЦ широко использует международную кооперацию, привлекает иностранных и российских учёных для проведения совместных научных исследований и учебной работы.

 

Наука. МЛЦ является исполнителем исследований по грантам: РНФ (5), РФФИ (42), контрактам и хоздоговорам. В 2016 г. получен грант Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по теме «Нелинейная фемтосекундная фотоника в ближнем и среднем ИК диапазонах» (рук. проф. В.А. Макаров). Среди членов школы 10 молодых учёных, в т.ч. 7 аспирантов физического факультета.

Получены 2 патента на изобретения.

 

Основные научные достижения в 2016 г.:

 

 

Впервые найдено пространственное распределение поляризации светового поля в пучке на удвоенной частоте, отражённом от поверхности изотропной гиротропной среды, в случае, когда нормально падающий пучок основного излучения содержит сингулярность поляризации произвольного типа. Проанализированы вклады объёмного и поверхностного отклика нелинейной среды в формирование линий круговой поляризации в пучке второй гармоники. Исследован характер связи топологических характеристик и состояния поляризации сингулярностей в отражённом и падающем излучении.

Алгоритм построения спектрального представления решения неинтегрируемых задач нелинейной оптики в адиабатическом приближении продемонстрирован на примере взаимодействия «быстрой» и «медленной» кноидальных волн. Показано, что постепенная «хаотизация» вида приближённого решения для быстро меняющейся волны связана с неэквидистантностью её спектра. Неинтегрируемая задача нелинейного взаимодействия «быстрой» кноидальной волны с «медленным» солитоном Кузнецова-Ма, периодическим в пространстве и локализованным во времени, приближённо решена аналитически в адиабатическом приближении. Показано, что «медленная» компонента поля вызывает амплитудную и частотную модуляцию «быстрой» компоненты, периодическую в пространстве и локализованную во времени. Сформулированы условия применимости адиабатического приближения.

В ходе численного моделирования самофокусировки однородно эллиптически поляризованного пучка эллиптического сечения показана возможность формирования сингулярностей поляризации в процессе распространения. Установлено, что сингулярности существуют в ограниченном интервале значений координаты распространения, а потом сталкиваются и аннигилируют.

Объяснена эллиптическая поляризация высоких оптических гармоник, генерируемых атомарным газом, при его взаимодействии с первой и второй ортогонально линейно поляризованными гармониками Ti:Sa лазера, а также поляризационные свойства ТГц излучения, возникающего в протяжённой среде атомарного газа в указанной комбинации воздействующих полей.

Обнаружено регулярное «дыхание» светового поля в световой пуле, сформированной при филаментции фемтосекундного излучения среднего инфракрасного диапазона. Периодическое изменение параметров световой пули зарегистрировано по периодическим структурам из центров окраски, созданным в режиме филаментации одиночного импульса в изотропном кристалле LiF. Период структуры из центров окраски, наведённой в результате филаментации на длине волны 3000 нм, составляет около 30 мкм и уменьшается с увеличением длины волны фемтосекундного лазерного излучения. Световая пуля в среднем инфракрасном диапазоне представляет собой волновой пакет из одного цикла колебаний поля и регулярное изменение максимальной амплитуды светового поля в пуле является результатом периодического изменения сдвига фазы между несущей волной и огибающей волнового пакета вследствие разности групповой и фазовой скоростей в пуле. Высокая воспроизводимость фотоиндуцированной структуры из центров окраски подтверждает робастность световой пули, являющуюся следствием самоорганизации интенсивного светового поля при его нелинейно-оптическом взаимодействии со средой в условиях аномальной дисперсии групповой скорости.

Проведено численное моделирование слияния нескольких когерентных филаментов и образования суперфиламента вблизи геометрического фокуса линзы. Воспроизведено столкновение филаментов, зарождение суперфиламента, преодоление насыщения интенсивности и расходимость суперфиламента за геометрическим фокусом собирающей линзы. Показано, что при столкновении филаментов спектр излучения обогащается новыми высокочастотными компонентами.

Разработана модель и проведено численное моделирование филаментации фемтосекундного лазерного излучения среднего ИК диапазона в атмосферном воздухе. В модели, кроме общепринятых в теоретическом исследовании филаментации факторов, учтена произвольная поляризация излучения, а также поглощение и дисперсия, связанные с возбуждением колебательных переходов в молекулах углекислого газа, паров воды и т.д. Установлено, что керровская и плазменная нелинейности уширяют спектр фемтосекундного излучения настолько, что он перекрывается с линиями поглощения. Это ведёт к существенному усилению поглощения по сравнению со случаем линейного распространения.

Численно исследовано самовоздействие в плавленом кварце фемтосекундного лазерного импульса в случае кольцевого пучка с фазовой сингулярностью на длине волны 800 нм. Получена детальная картина пространственно-временной динамики импульса и трансформации его частотно-углового спектра. Показано, что в нелинейном фокусе формируется трубчатая структура радиусом 3–4 мкм, причём протяжённость этой структуры существенно превышает длину перетяжки в линейном случае. Распространяясь, импульс оставляет за собой плазменный канал, который также имеет трубчатую форму. Динамика частотно-углового спектра кольцевого пучка с фазовой сингулярностью подобна динамике спектра обычного кольцевого пучка (за исключением отсутствия нулевой пространственной гармоники). В процессе филаментации оптического вихря около трети энергии может перераспределяться в стоксову область и значительно меньшая часть – в антистоксову. При этом коническая эмиссия в стоксовой области имеет существенно худший контраст по сравнению с гауссовым пучком.

 

 

Создан высокоэффективный (~0.5% от излучения накачки, до 10 мкДж) широкополосный (~200 нм во всей полосе перестройки) перестраиваемый (3.8–4.8 мкм) источник фемтосекундных лазерных импульсов среднего ИК диапазона на основе параметрического усиления суперконтинуума (1,65–1,9 мкм), генерируемого в нелинейном кристалле сфокусированным излучением хром-форстеритового лазера.

Разработана и апробирована оригинальная методика регистрации акустических волн, возникающих при филаментации мощного слабосфокусированного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе. Измерения в режиме одиночного филамента показали, что использование широкополосного (~10 МГц) акустического приёмника, установленного на расстоянии в несколько миллиметров от оптической оси, обеспечивает уверенную регистрацию акустического сигнала от одиночного филамента, сформированного лазерным импульсом с энергией в 1–3 мДж. Поперечное пространственное разрешение при этом составляет 100 мкм, что достаточно для измерения профиля теплового источника, формируемого при филаментации.

Предложен и экспериментально реализован лазерно-ультразвуковой метод диагностики механических напряжений сжатия или растяжения в стальных конструкциях, основанный на эффекте акустоупругости. Разработан специальный лазерно-ультразвуковой преобразователь, совмещающий в себе лазерное возбуждение продольных подповерхностных ультразвуковых волн и их высокочувствительную регистрацию. На примере используемых в Российской Федерации рельсов различного типа показано, что независимо от вариаций структурно-фазового состояния рельса, имеет место одна и та же линейная зависимость относительного изменения скорости вышеуказанных ультразвуковых волн от абсолютной величины одноосного напряжения сжатия или растяжения, действующего в рельсе.

Реализован метод широкополосной акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука (лазерно-ультразвуковой спектроскопии) изотропных дисперсно-упрочненных металломатричных композиционных материалов. Исследовались композиционные материалы на основе алюминиевой матрицы, упрочнённые частицами триалюминида титана в различной объёмной концентрации, полученные методом реакционного литья. Продемонстрирована возможность оперативной количественной диагностики пористости материала на основе измеренных частотных зависимостей (дисперсии) фазовой скорости продольных акустических волн. Так как появление пористости в данном композиционном материале обусловлено параметрами технологии изготовления, предложенный метод лазерно-ультразвуковой спектроскопии позволяет осуществлять контроль влияния этих параметров на структурные дефекты получаемого материала.

Предложен и реализован перспективный для спектроскопических приложений способ получения интенсивного пикосекундного излучения с широким спектром с помощью пикосекундного параметрического усилителя на кристалле КТР, работающего по неколлинеарной схеме, с накачкой излучением второй гармоники пикосекундного Nd:YAG-лазера. В качестве затравки используется излучение безрезонаторного лазера на красителе. Получены импульсы длительностью 26 пс со средней длиной волны 685 нм, шириной спектра 20,7 нм и энергией 1,2 мДж.

Разработана методология исследования нелинейно-оптических эффектов, возникающих в коллоидных системах в среде сверхкритической жидкости. В основе метода используется процесс лазерной абляции металлической мишени в сверхкритическом реакторе выше критической точки.

Создан новый экспериментальный лазерный комплекс для исследования свойств метаматериалов. В качестве задающего лазера используется фемтосекундный лазер на титанате сапфира с накачкой непрерывным излучением лазера «Verdi» фирмы «Coherent». Фемтосекундный лазер генерирует последовательность фемтосекундных импульсов с частотой 100 МГц длительностью 50–100 фс с энергией 1 наноджоуль на импульс, перестраиваемых по длине волны в диапазоне 0.7–0.9 мкм.

Создана уникальная многоканальная система сбора сигнала 2-й гармоники при отражении от поверхности на основе фотоумножителей, работающих в режиме счёта фотонов, что обеспечивает максимально возможную чувствительность системы сбора излучения. Многоканальность системы сбора фотонов 2-й гармоники позволяет измерять все четыре параметра Стокса, что обеспечивает возможность полного определения состояния поляризации отражённого сигнала. В качестве примера получено пространственное распределение параметров поляризации излучения второй гармоники на масштабах отдельной наноструктуры, образованной элементами в форме плоской спирали (буквы G). Показано, что в зависимости от ориентации плоскости поляризации волны основного излучения вдоль одной из сторон наноструктуры наблюдаются две либо одна области локализации излучения второй гармоники, в каждой из которых поляризация близка к линейной (с углом эллиптичности около 5^о) и повёрнута для различных энантиомеров в противоположные стороны на угол около 30^о относительно плоскости поляризации волны основного излучения.

 

 

Измерение сил, характеризующих взаимодействие эритроцитов, проведённое с помощью двухканальных лазерных пинцетов, показало, что силы агрегации и дезагрегации существенно отличаются по величине, причём их отношение также отличается для крови здорового донора и крови пациента, болеющего диабетом. Исследования кинетики взаимодействия клеток в модельных растворах выявили существенную важность синергизма вкладов отдельных белков и других компонентов плазмы, особенно для инициации спонтанной агрегации. Теоретически исследованы обратное вынужденное комбинационное рассеяние и нестационарное когерентное антистоксово рассеяние света в газах, а также рассеяние лазерного пучка в жидкой дисперсной среде, представляющей собой суспензию красных клеток крови.

Показано, что рабдомиолиз вызывает повышение уровня гема и свободного железа в кровяном русле, в цитоплазме и митохондриях почечных клеток. Изучение процесса деградации миоглобина показало, что при рабдомиолизе ингибиторы протеолиза вызывают серьёзное увеличение уровня миоглобина в почечных клетках. Имитация патологии путём введения животным миоглобина, равно как и инициация рабдомиолиза, приводят к увеличению гемоксигеназы и ферритина в почечной ткани.

Предложены алгоритмы обработки данных лазерной дифрактометрии эритроцитов в сдвиговом потоке, позволяющие измерять ширину и асимметрию распределения клеток крови по деформируемости. Установлено, что быстрый расчёт рассеяния лазерного пучка на частицах, моделирующих красные клетки крови, возможен в лучеволновом приближении, когда падающее излучение и свет внутри частицы представляются набором лучей, а свет за её пределами – в виде набора сферических волн, испускаемых отдельными элементами поверхности частицы.

КР спектроскопия использована для исследования влияния УФ излучения на седые волосы. Установлено уменьшение количества S-S и C-S связей цистинов и увеличение количества S-H связей вследствие УФ облучения. Такие изменения более выражены для периферийных участков волоса. Исследования указывают на конформационные изменения кератинов волос предположительно связанные с разрывом дисульфидных мостиков. Зафиксировано увеличение содержания тиолов в белках.

Создана автоматизированная лазерная установка, позволяющая проводить быстрые измерения распределения эритроцитов по размерам. Проведены эксперименты по рассеянию лазерного пучка на суспензии ориентированных эритроцитов («влажный мазок крови»). Средний диаметр эритроцита определён с погрешностью менее 1%, а разброс эритроцитов по размерам – с погрешностью около 20%.

 

 

Компрессия световых импульсов в газовой фазе приводит к генерации субтераватных импульсов среднего инфракрасного диапазона с длительностью в несколько оптических периодов поля. Достигнута пиковая мощность до 0.3 ТВт в 35 фс в одномодовом и практически дифракционно-ограниченном выходном излучении с центральной длиной волны 4 мкм. Результат получен за счёт подбора давления газа и входной пиковой мощности, при которых пространственная модуляционная неустойчивость и рассеяние в плазме не играют значительной роли, а излучение распространяется в виде единичного филамента. Сформированное излучение перспективно для задач молекулярной спектроскопии, полупроводниковой электроники, физики сверхсильных полей, а также в новых типах рентгеновских источников.

 

 

Исследован ансамбль свободных нанокластеров, хаотически движущихся по подложке, на которой есть островки, сформированные из этих же кластеров. Новые кластеры появляются в ансамбле в результате осаждения на подложку, затем они ускоряются, и, наконец, покидают систему, присоединяясь к островкам. Динамика скоростей кластеров описывается с помощью уравнения баланса. Получена функция распределения вероятности для скоростей кластеров. Для описания динамики роста островков предложен стохастический подход, основанный на уравнении Ланжевена с мультипликативным шумом. Получено распределение размеров островков как решение соответствующего уравнения Фоккера-Планка. Проанализирована зависимость роста островка от его фрактальной размерности. Исследовано влияние мобильности небольших островков на рост больших. Полученные аналитические результаты находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования.

Экспериментально продемонстрирована перспективность методов ИК Фурье-спектроскопии для определения содержания хитозана и сапонита в исходном растворе бионанокомпозитов. Из-за большого количества гидроксильных групп и влияния водородных связей на добротность молекулярных колебаний не наблюдаются заметные особенности в терагерцовых спектрах поглощения бионанокомпозитов. Наблюдаемый в терагерцовом спектре поглощения сапонита максимум вблизи 1.5–2 ТГц имеет фононную природу и связан с кристалличностью наночастиц синтетической глины.

Показано, что сдвиг Гуса-Хенхена (смещение отражённого пучка относительно падающего вдоль границы раздела сред в условиях полного отражения) можно увеличить на несколько порядков при помощи фотонных кристаллов.

Теоретически предсказана и экспериментально продемонстрирована фокусировка пучков при их отражении от фотонных кристаллов с адиабатически изменяющимся периодом. Показано, что фокусное расстояние при этом может достигать значений порядка 10 см. Результаты расчётов находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

 

 

Предложен способ получения трёхчастичных поляризационно-запутанных состояний Гринберга-Хорна-Цайлингера в схеме спонтанного поляризационного рассеяния. Показано, что при инжекции одного из запутанных фотонов, получаемых в стандартной двухкристальной схеме-генераторе спонтанного поляризационного рассеяния, в специально разработанный двухкристальный усилитель спонтанного поляризационного рассеяния, возникают трёхчастичные поляризационно-запутанные состояний Гринберга-Хорна-Цайлингера, которые могут быть выделены методом постселекции.

Показано, что при взаимодействии двухуровневого квантового излучателя (атом, молекула, квантовая точка и т.д.) с плазмонной наночастицей (вытянутый наносфероид) с внешним полем вокруг наночастицы образуются области либо существенного увеличения (до нескольких порядков) или уменьшения (до нескольких раз) скорости распада атома по сравнению с его скоростью распада в вакууме. Установлено, что спектр резонансной флуоресценции атома в непосредственной близости от плазмонной наночастицы очень чувствителен к положению атома относительно наночастицы и к поляризации ближнего поля, которая зависит в свою очередь от поляризации внешнего лазерного излучения. Полученный результат может быть использован в экспериментах с квантовыми излучателями в ближнем поле, а также для 3D наноскопии ближнего поля путём регистрации спектров резонансной флуоресценции квантовых излучателей, находящихся в непосредственной близости от плазмонных наночастиц.

 

Учебная работа. В 2016 г. прошли обучение в лабораториях МЛЦ и под руководством сотрудников успешно защитили выпускные квалификационные работы 5 специалистов и бакалавров физического факультета.

 

Довузовская работа. Впервые МЛЦ организовал цикл учебно-методических семинаров и мастер классов «Оптика и фотоника для учителей». В его рамках были проведены семинары «Методика подготовки школьников к решению теоретических задач олимпиадного типа по теме “Оптика” и «Оптические эксперименты – от игры до высокой науки». Последний семинар включал в себя лекцию-презентацию «Красота фотоники и нелинейной оптики» и мастер-класс для учителей с демонстрациями по геометрической и волновой оптике «Оптические эксперименты и игры для 7–11 классов». В работе этих двух семинаров приняли участие 38 учителей Москвы и Московской области.

В рамках проекта «Университетские субботы» МЛЦ организовал и провёл интерактивный мастер-класс «Удивительный мир света», в котором приняли участие более 90 человек, в т.ч. 64 учащихся общеобразовательных школ и гимназий и 7 учителей.

 

Повышение квалификации. Повышение квалификации по программе «Автоматизация измерений и управления экспериментом» (72 часа) и в форме стажировки по индивидуальному плану (144 часа) прошли двое слушателей из Казани и Красноярска.

 

Конференции. Сделано 107 докладов на российских и международных конференциях. Авторами/соавторами подавляющего большинства докладов выступали студенты и аспиранты МГУ.

Организованы и проведены:

– XXV международный семинар по лазерной физике/25th International Laser Physics Workshop (г. Ереван, Армения);

– международная конференция в области лазерной физики и нелинейной оптики ICONO 2016 (г Минск, Беларусь).

 

Персоналии. Директор МЛЦ В.А. Макаров Указом Президента РФ №432 от 26.08.2016 награждён медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» I степени за «большой вклад в развитие науки, образования, подготовку квалифицированных специалистов и многолетнюю добросовестную работу».

 

Публикации. Опубликовано 165 статей в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, 2 учебных пособия. Студенты и аспиранты различных факультетов стали авторами и соавторами более половины статей; 50 статей из полного числа публикаций представлены в топ 25% ведущих научных журналов по версии Web of Science.