МГУ–2018: Международный учебно-научный лазерный центр

Общие сведения. Созданный в 1989 г. Международный учебно-научный лазерный центр (МЛЦ) 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 использующих лазерное излучение фундаментальных основ новых наукоёмких технологий. Важное место в центре 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. В 2018 г. МЛЦ являлся исполнителем исследований по грантам РФФИ, РНФ, по контрактам и хоздоговорам. Выполнены исследования на сумму более 55 млн рублей.

 

Основные научные достижения в 2018 г. по направлениям:

 

 

Определены области значений степеней эллиптичности эллипса поляризации соосно распространяющихся в объёме изотропной гиротропной среды однородно поляризованных импульсов основного излучения, при которых изменение угла между осями этих эллипсов влияет на значение суммарного топологического индекса сингулярностей круговой поляризации в возникающем в объёме среды импульсе на суммарной частоте.

Аналитически продемонстрировано, что при распространении в объёме изотропной среды с пространственной дисперсией квадратичной нелинейности неоднородно поляризованного импульса, поперечная структура которого состоит из соосных левополяризованной гауссовой моды и двух правополяризованных Лагерр-Гауссовых мод 1-го порядка, модуль степени эллиптичности эллипса поляризации возникающего импульса на удвоенной частоте равен модулю параметра изотропии сингулярности поляризации, лежащей на оси импульса основного излучения.

Показано, что при распространении гауссового светового пучка, имеющего однородную эллиптическую поляризацию на границе среды с электронным или ориентационным характером кубического по полю нелинейного отклика, возможно образование замкнутых линий сингулярности круговой поляризации, лежащих в плоскости перпендикулярной оси пучка. Определена минимальная степень эллиптичности пучка на границе среды, при которой интенсивность поля в точках линии сингулярности составляет не менее 10^-3 от интенсивности на оси пучка в том же поперечном сечении.

Проанализированы выражения для спиновой части вектора плотности углового момента (момента импульса) эллиптически поляризованных кноидальных волн и бризеров, распространяющихся в изотропной гиротропной среде с частотной дисперсией 2-го порядка и пространственной дисперсией кубической нелинейности. Показано, что вследствие нелинейной гирации плотность углового момента зависит от времени и координаты распространения.

Экспериментально и численно исследовано угловое распределение терагерцового излучения, возникающего в результате пробоя воздуха двуцветным фемтосекундным лазерным импульсом (основная и вторая гармоники), при различных условиях его фокусировки. Установлено, что уменьшение числовой апертуры приводит к сжатию углового спектра терагерцового излучения и формированию кольцевых структур (конической эмиссии). Умеренная фокусировка является оптимальной с точки зрения приложений: возникающее терагерцовое излучение является направленным (угловая расходимость около 15⁰), коническая эмиссия не возникает.

Показана возможность формирования кольцевых световых пуль в плавленом кварце при распространении в нём фемтосекундных лазерных импульсов на длине волны 1800 нм, что соответствует области аномальной дисперсии групповой скорости. В кольцевых пучках с высокой пиковой мощностью и дислокацией фазы на оси происходит динамическая локализация интенсивного лазерного поля в тонкие кольца шириной около 5 длин волн, длительностью 1–2 оптических осцилляции.

Проведено численное моделирование фокусировки в воздух фемтосекундного лазерного излучения, регуляризованного в поперечном сечении маской с 4-я отверстиями диаметром 2,5 мм, энергия которого изменялась от 30 мкДж до 1 мДж. Установлено, что при энергии импульса, соответствующей режиму суперфиламентации, обратная перекачка энергии практически не происходит вследствие значительной асимметрии в распределениях интенсивности относительно геометрического фокуса, обусловленной формированием перед ним лазерной плазмы, рассеивающей оптическое излучение. С уменьшением энергии падающего импульса распределения интенсивности становятся более симметричными относительно геометрического фокуса. Одновременно с этим возрастает обратная конверсия. При минимальной энергии 30 мкДж сформировавшаяся до фокуса 3-я гармоника испытывает полную конверсию в обратном направлении. Излучение на утроенной частоте существенно за фокусом отсутствует.

Предсказано возникновение при взаимодействии одиночного атома с лазерным излучением индуцируемого тока, обладающего продольной компонентой. Изучено её влияние на состояние поляризации генерируемого излучения. Исследованы зависимости векторных свойств атомного тока, индуцируемого в атоме с угловым моментом в основном состоянии равном единице, от характеристик падающего двухчастотного электромагнитного поля с ортогональной поляризацией его компонент. Показано, что вариация времени задержки между частотными компонентами воздействующего на атом поля позволяет эффективно управлять поляризацией поля отклика атома. Продемонстрировано влияние взаимной ориентации векторов напряжённости лазерного поля и углового момента атома на величину продольной компоненты атомного тока, а также на поляризационные свойства генерируемого излучения.

Экспериментально измерено и воспроизведено в 3D + t численном моделировании угловое распределение 3-й гармоники сходящихся вследствие общей фокусировки регуляризованных амплитудной маской с 4 отверстиями филаментов и суперфиламента. Установлено, что угловое распределение возникающей 3-й гармоники в таких условиях воспроизводит распределение интенсивности сходящихся филаментов сравнительно низкой интенсивности, тогда как высокоинтенсивный суперфиламент, возникший вследствие слияния начальных филаментов, практически не вносит вклад в этот процесс. Подавление генерации 3-й гармоники в суперфиламенте объясняется уменьшением примерно на 2 порядка (до 100 мкм и менее) длины когерентности в плазме суперфиламента с концентрацией более 10¹⁸ см^-3. Вследствие этого аккумуляция 3-й гармоники не происходит: все генерируемое излучение 3-й гармоники практически мгновенно испытывает обратную конверсию в основное излучение. Тем не менее, 3-я гармоника существенно трансформируется в суперфиламенте: её спектр уширяется примерно в 4 раза без изменения полной энергии.

 

 

Созданы новые типы источников импульсов пикосекундной длительности, необходимые для реализации нелинейной широкополосной спектроскопии комбинационного рассеяния. Излучение непрерывного суперлюминесцентного диода, имеющее ширину спектра 270 см^-1 (центральная длина волны 790 нм) и высокую пространственную когерентность, служило затравкой для пикосекундного двухкаскадного параметрического усилителя на кристаллах ВВО. В обоих каскадах использовалась неколлинеарная геометрия параметрического усиления с накачкой импульсами длительностью 22 пс на частоте 2-й гармоники излучения Nd:YAG лазера. Длительность импульсов на выходе параметрического усилителя и их спектральная ширина составляли 20 пс и 205 см^-1, соответственно. При обшей энергии накачки 7,2 мДж энергия выходных импульсов составляла 0,9 мДж, что соответствует эффективности преобразования накачки 12,5%.

Предложена методика анализа условий генерации лазера с продольной диодной накачкой в условиях существенного проявления возникающей термолинзы. Показано, что характеризующаяся эффективной силой аберрационная составляющая термолинзы, (меньшая по сравнению с вкладом её сферической части) может в случае роста тепловой нагрузки активного лазерного элемента проявлять «адаптивный» эффект. Последний обеспечивает заметное расширение области стабильности резонатора лазера, имеющее, в частности, важное значение для пикосекундных лазеров высокой пиковой мощности.

В эксперименте и численном моделировании установлен и обоснован основной механизм, определяющий оптимальный чирп, соответствующий максимальному выходу терагерцового излучения, образующегося при генерации двуцветного (основная и 2-я гармоники) фемтосекундного филамента. Измерения проведены с использованием титан-сапфировой лазерной системы, импульс которой чирпировался как положительно, так и отрицательно, от 35 до 250 фс. Минимум энергии ТГц излучения соответствовал спектрально-ограниченному импульсу максимальной мощности около 50 ГВт, тогда как локальные максимумы достигались при положительно и отрицательно чирпированных импульсах длительностью около 100 фс (мощность 20 ГВт). Эти максимумы являются асимметричными – наибольший выход терагерцового излучения достигается в импульсе, чирпированном положительно, т.е. в случае, когда импульс дополнительно растягивается в процессе распространения в среде с нормальной дисперсией (например, в воздухе в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне). Установлена причина максимальной энергии терагерцового сигнала при положительном чирпе. В процессе распространения импульсы основной и 2-й гармоник расходятся по времени вследствие нормальной дисперсии воздуха и формирования самонаведённой лазерной плазмы. Вследствие этого их временное перекрытие ухудшается, и эффективность процесса многоволнового смешения, ведущего к генерации терагерцового излучения, уменьшается. В частности, в случае наиболее короткого (и, соответственно, наиболее мощного) спектрально-ограниченного импульса перекрытие между гармониками практически полностью исчезает, и поэтому энергия терагерцового излучения минимальна. Чирпированные импульсы обладают большей длительностью (по сравнению со спектрально-ограниченным импульсом). Поэтому они обеспечивают лучшее перекрытие оптических гармоник и, следовательно, большую энергию терагерцового излучения. Рост длительности положительно чирпированного имульса в процессе распространения в воздухе позволяет добиться наибольшего перекрытия, вследствие чего глобальный максимум энергии терагерцового излучения достигается именно для положительного чирпа импульса.

 

 

С помощью гиперспектральной голографии высокого расширения были получены детальные профили красных клеток крови. На их основе уточнена геометрическая модель эритроцита для расчётов лазерной дифрактометрии. Проанализировано влияние размеров и асимметрии формы клеток на видность соответствующих дифракционных картин. Проведено сравнение численных результатов с результатами натурного эксперимента.

Впервые установлен важный вклад алифатических структур во взаимодействия с переносом заряда в супрамолекулярном ансамбле гуминовых систем, определяющий интенсивность поглощения в красной области их спектра. На основании изучения распределения водорода в широкой выборке гуминовых веществ из арктических и средних широт, различающихся по степени гумификации, предложен новый структурный маркер степени гумификации – отношение количества водорода в составе длинноцепочечных (CHn) фрагментов к водороду мостиковых структур в альфа-положении к акцепторным группам (ароматическому кольцу или карбоксильной группе). Результаты спектроскопии парамагнитного резонанса и УФ-видимой спектроскопии нашли хорошее подтверждение в данных масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье.

 

 

Найдены условия формирования периодических микроструктур на поверхности аморфного кремния под действием фемтосекундных лазерных импульсов, генерирующих поверхностные плазмон-поляритоны при интенсивном фотовозбуждении неравновесных носителей заряда в облучаемой плёнке. Интерференция плазмон-поляритонов с падающим излучением приводит к возникновению стоячих волн и периодической модуляции рельефа поверхности в мощном световом поле – возникновению поверхностных решёток с близким к длине волны структурирующего излучения периодом (1.20 мкм). Ориентация таких решёток непосредственно зависит от количества импульсов, воздействовавших на поверхность, и может быть перпендикулярной (менее 500 импульсов) или параллельной (более 500 импульсов) их поляризации. Наблюдаемые трансформации объясняются наличием обратной связи между формируемым на поверхности рельефом и возбуждаемыми лазерными импульсами плазмон-поляритонами. Формирование поверхностных решёток в плёнках аморфного кремния в результате фемтосекундного лазерного облучения приводит к возникновению анизотропии проводимости в плоскости поверхности.

 

 

Разработаны основы фантомной поляриметрии, представляющей метод исследования сред с естественной или наведённой оптической активностью. Он основан на определении величины вращения плоскости поляризации с помощью поляриметров, измеряющих интенсивность прошедшего излучения. Перенесение в поляриметрию интерферометрии интенсивности, основанной на измерении корреляции интенсивностей, позволяет использовать принцип фантомных изображений. Для поляризационной дискриминации объекта используется неполяризованное некогерентное излучение. Часть этого излучения направляется на поляризационный объект, а затем в объектном плече регистрируется детектором по всей апертуре пучка, не дающего, однако, информацию о поляризационном состоянии объекта. Другая часть неполяризованного излучения, не проходящая через объект, поступает в так называемое восстанавливающее плечо, в котором проходит через поляризатор (либо поляризационный светоделитель) и регистрируется сканируемым в поперечном направлении «точечным» детектором (детекторами). Информацию о поляризационных свойствах объекта извлекают из измерения взаимной корреляционной функции тока детектора объектного плеча и тока восстанавливающего плеча для двух ортогональных направлений, перпендикулярных направлению распространения излучения. Предложенный новый тип поляриметрии продемонстрирован в эксперименте с использованием неполяризованного квазитеплового источника излучения. Фантомная поляриметрия может расширить возможности поляриметрии, например, в биомедицинской диагностике при освещении объекта малофотонным источником излучения.

 

Учебная работа. В 2017 г. прошли обучение в лабораториях МЛЦ и под руководством сотрудников успешно защитили выпускные квалификационные работы 3 бакалавра и магистр физического факультета.

 

Повышение квалификации. 8 слушателей прошли повышение квалификации объемом 72 часа. Из них 3 – по недавно открытой программе дополнительного образования «Неразрушающий контроль материалов с использованием лазерно-ультразвуковых дефектоскопов», и 3 – по программе «Автоматизация измерений и управления экспериментом». По индивидуальной программе повышения квалификации в форме стажировки обучалось 2 слушателя, в т.ч. 1 иностранный гражданин.

 

Довузовская работа. В рамках проекта «Университетские субботы» состоялся интерактивный мастер-класс «Лазеры, нелинейная оптика и современная робототехника». В мероприятии приняли участие 20 человек, в т.ч. 14 учащихся общеобразовательных школ и гимназий, а также 6 учителей и родителей. Школьники смогли поработать на современных автоматизированных установках, основанных на быстро перемещаемых за счёт гальвано-эффекта зеркалах, управляющих лазерным лучом.

Проведено 2 экскурсии для учителей и школьников в Лазерный практикум.

 

Конференции. Сделано более 100 докладов на российских и международных конференциях. Авторами/соавторами подавляющего большинства докладов выступали студенты и аспиранты МГУ.

Совместно с Институтом общей физики им. А.М.Прохорова РАН организованы и проведены:

– XXVII международный семинар по лазерной физике/27^th International Laser Physics Workshop (Нотингем, Великобритания);

– XXVI международная конференция по современным лазерным технологиям/International Conference on Advanced Laser Technologies (Таррагона, Испания).

 

Публикации. Опубликовано более 140 статей в ведущих научных журналах (из них более 70 в журналах из списка top 25% по версии Web of Science), 6 учебных пособий для школьников. Студенты и аспиранты различных факультетов стали авторами и соавторами более половины статей.