МГУ–2017: 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 наукоемких 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 2017 г. МЛЦ являлся исполнителем исследований по 32 грантам РФФИ. По контрактам и хоздоговорам выполнены исследования на сумму более 20 млн рублей. Продолжено выполнение гранта 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. Получен патент на изобретение.

 

Основные научные достижения в 2017 г. по направлениям:

 

 

Впервые проанализирована передача момента импульса пучков на основных частотах генерируемому в изотропной гиротропной нелинейной среде излучению на суммарной частоте. В коллинеарной геометрии взаимодействия эллиптически поляризованные сфокусированные гауссовы пучки основного излучения, момент импульса которых обладает лишь спиновой составляющей, генерируют пучок на суммарной частоте, являющийся суперпозицией двух Лагерр-Гауссовых мод. Переносимый им в единицу времени через поверхность волнового фронта момент импульса имеет спиновую и орбитальную составляющие, возникающие благодаря взаимодействию неколлинеарных пространственных Фурье-компонент пучков основного излучения. При этом относительные доли орбитальной и спиновой составляющих определяются соотношением частот и степеней эллиптичности эллипсов поляризации волн основного излучения. Установлено, что лишь при циркулярной поляризации пучков основного излучения их моменты импульса полностью преобразуются в излучение на суммарной частоте. При других состояниях их поляризации часть переносимого в единицу времени через поверхность волнового фронта момента импульса пучков основного излучения передаётся нелинейной среде. Её величина зависит от соотношения частот и степеней эллиптичности эллипсов поляризации падающих на границу среды гауссовых пучков. Показано, что эффективная по мощности в сигнальном пучке генерация суммарной частоты необязательно совпадает с максимальной передачей момента импульса в возникающий пучок.

На основе проведённых экспериментов разработана методика создания непрерывных протяжённых ультрафиолетовых филаментов в воздухе при использовании поглощающей сетки с ячейками. Лазерное излучение на длине волны 248 нм с энергией 0.2 Дж, длительностью 870 фс выводилось через сетку в коридор длиной около 100 м. Взаимное расположение множества филаментов на профиле пучка сохранялось на протяжении 15 м вдоль направления распространения при использовании сетки с ячейками оптимального размера. Численное моделирование подтверждает результаты экспериментов и демонстрирует формирование плазменных каналов с неизменным поперечным распределением. Если размер ячейки больше оптимального, то имеет место множественная филаментация и филаменты с ростом координаты распространения смещаются к её центру.

Экспериментально исследовано распространение лазерных импульсов с длинами волн 3,6–4,2 мкм в атмосферном воздухе на большие расстояния. Проанализировано влияние дисперсионных аномалий, возникающих благодаря асимметрично-растянутой колебательно-вращательной полосе поглощения атмосферного CO₂. Показана возможность эффективной передачи сигналов на большие расстояния, открывающая новые методы дистанционного зондирования и преобразования мощных лазерных импульсов в атмосфере.

В приближении заданного поля впервые получены аналитические выражения для электрического поля светового пучка на утроенной частоте, сгенерированного в объёме изотропной среды монохроматическим световым пучком с уединённой сингулярностью поляризации. Показано, что сигнальный пучок на утроенной частоте содержит в любом поперечном сечении три сингулярности поляризации. Одна из них расположена на его оси. Её поляризация и топологический заряд противоположны аналогичным характеристикам сингулярности в пучке основного излучения. Две другие сингулярности лежат симметрично относительно оси сигнального пучка и имеют те же характеристики, что и сингулярность в падающем на изотропную среду пучке. Наличие фазовой расстройки волновых векторов на основной и утроенной частотах приводит к тому, что эти две линии сингулярности поляризации обретают спиралевидную форму, причём закрученность спиралей зависит от знака волновой расстройки и топологического заряда сингулярностей.

Исследованы механизмы генерации терагерцового излучения фемтосекундной длительности при реализации различных условий нелинейного взаимодействия пучков основного излучения в газах. Проанализирована и охарактеризована структура возникающего излучения. Анализ наблюдаемых явлений позволил установить, что дипольное излучение в большинстве случаев преобладает, несмотря на распространенное мнение о доминирующей роли квадрупольного механизма излучения.

Экспериментально и теоретически исследована трансформация эллиптической поляризации терагерцового излучения двуцветного оптического пробоя в условиях независимого управления направлениями линейной поляризации полей первой и второй гармоник титан-сапфирового лазера. Показано, что степень эллиптичности эллипса поляризации возникающего терагерцового излучения резко возрастает вблизи угла между векторами электрических полей оптических гармоник равного 85^о. Установлено, что небольшая степень эллиптичности эллипса поляризации второй гармоники в этих условиях достаточна для генерации эллиптически поляризованного терагерцового импульса.

 

 

В рамках работ, выполняемых совместно с группой специалистов-нейрофизиологов из Курчатовского института, разработаны уникальные оптоволоконные нейроинтерфейсы для оптической функциональной диагностики мозга живых свободноподвижных животных. Создан и успешно используется в научных экспериментах уникальный лазерный комплекс для количественной волоконно-оптической характеризации когнитивного и поведенческого отклика животных с использованием широкого набора стандартных методик когнитивных исследований.

Создан уникальный источник сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона, обеспечивающий самый высокий в мире уровень пиковой мощности фемтосекундных импульсов среднего ИК-диапазона. Первые эксперименты, выполненные с использованием таких систем, позволили наблюдать новые нелинейно-оптические явления, указывающие на существование новых режимов взаимодействия излучения с веществом.

Разработан макет компактного и эффективного пикосекундного Nd:YAG лазера высокой пиковой и средней мощности, обеспечивающего генерацию последовательности импульсов со следующими параметрами: длина волны 1,06 мкм, длительность одиночного импульса 25 пс, энергия одиночного импульса до 4,5 мДж, частота повторения 300 Гц. Макет включает задающий лазер с динамическим управлением генерацией и двухпроходный усилитель, построенные на активных элементах с торцевой импульсной диодной накачкой. Выходное излучение лазера преобразуется во вторую гармонику с эффективностью до 60%. При эксплуатации лазера используется только воздушное охлаждение. Компактный термостатирующий модуль, включённый в лазерную систему, позволяет её эксплуатацию в диапазоне температур от -40 до +50^оС.

Совместно с коллегами из МИСИС проведена оценка пространственного разрешения и размера области чувствительности томографических систем на основе расчёта карт чувствительности и карт пространственного разрешения в плоскости изображения антенн сложной формы. Исследована связь размеров областей высокой чувствительности и высокого пространственного разрешения для томографических систем с характеристиками конфокальных антенн, ориентированных на работу в режиме реального времени. Показано, что использование антенн с тороидальной геометрией существенно улучшает диагностические возможности оптоакустической и лазерно-ультразвуковой структуроскопии биологических объектов, горных пород и композитных материалов.

Экспериментально исследовано слияние в воздухе четырёх фемтосекундных лазерных пучков, пиковая мощность каждого из которых в несколько раз превышает критическую мощность самофокусировки. Показано, что формирующийся при таком взаимодействии суперфиламент обеспечивает эффективное вложение энергии в среду. Зафиксирован близкий к квадратичному рост линейной плотности вложенной энергии как от энергии лазерного импульса, так и от числа сливающихся пучков. Экспериментально и численно показано, что при фазовой модуляции и формировании высших мод Эрмитт-Гаусса наличие скачков фазы и линий нулевой интенсивности препятствует образованию суперфиламента.

 

 

Методами лазерной спектроскопии получены низкочастотные (0–300 см^-1 или 0–10 ТГц) колебательные спектры ряда белковых молекул. Их сравнительный анализ позволил выявить особенности низкочастотных колебательных спектров, связанные с существенными отличиями вторичных структур исследуемых белков. В диапазоне 200–400 см^-1 в КР спектрах белков наблюдаются значительные изменения, не коррелирующие с содержанием элементов вторичной структуры и/или их молекулярным весом. C учётом особенностей колебаний этого диапазона по отношению к отдельным аминокислотным остаткам выдвинута идея о связи наблюдаемых спектральных изменений с различиями в третичной и/или четвертичной структурах молекул.

Проведены эксперименты по исследованию низкочастотных колебательных спектров белков, находящихся в различных конформационных состояниях. Молекулы альбумина и химотрипсина физико-химическим воздействием переводились в отличающиеся от нативной конформации. Взаимодействие с агентами DTT и TCEP приводило к разрыву дисульфидных мостиков в молекулах белка. Длительное воздействие высокой температуры приводило к термической денатурации, а взаимодействие со специфичным для химотрипсина ингибитором PMSF – к его ингибированию. Установлено, что разрыв дисульфидных мостиков в молекуле белка и термическая денатурация приводят к существенным изменениям в виде низкочастотных колебательных спектров. Молекула альбумина (альфа-спирального белка) оказывается более устойчивой по отношению к применяемым воздействиям, на что указывают менее заметные изменения ИК-Фурье спектров в диапазоне до 200 см^-1. Выявлено, что ингибирование химотрипсина приводит к изменениям в низкочастотных колебательных спектрах, сопоставимым с изменениями, вызываемыми процессом термической денатурацией, а именно, к высокочастотным сдвигам и изменениям относительных интенсивностей линий спектра.

 

 

Исследованы физические сценарии, в которых возможен синтез высокоинтенсивных аттосекундных волновых импульсов предельно короткой длительности вследствие многолучевого когерентного сложения сигналов гармоник высокого порядка, генерируемых двухцветным лазерным импульсом, длительностью в несколько циклов электрического поля. Показано, что тщательная оптимизация для каждого из пучков соотношения амплитуд, фазовой расстройки, а также групповой задержки двухцветного лазерного поля накачки, позволяет ограничить время рекомбинации наиболее высокоэнергетичных электронов в пределах короткой части цикла поля. Согласованное по фазе многопучковое сложение импульсов гармоник высоких порядков может быть использовано для генерации поля субгигаватной мощности, имеющего длительность менее 10 аттосекунд при соответствующей оптимизации давления газа и геометрии пучка.

Разработан принципиально новый подход к описанию совместного воздействия двух остро сфокусированных в объём широкозонного диэлектрика низкоэнергетичных (до 2,5 мкДж) фемтосекундных лазерных импульсов, физические действия которых на вещество дополняют друг друга, исследование которого актуально для задач микроструктурирования и формирования модификаций предельно малых размеров (менее 3 мкм). Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием плавленого и кристаллического кварца, без ограничений общности позволяющие сделать выводы для всех широкозонных диэлектриков. Предшествующий по времени УФ лазерный импульс генерировал затравочные электроны в зоне проводимости путём многофотонной ионизации в то время, как последующий ИК лазерный импульс эффективно запускал лавинную ионизацию, создавая энерговклад, необходимый для локального пробоя диэлектрика. Использование двухволновой методики воздействия на вещество позволяет реализовать преимущества каждого импульса при микрообработке материала.

 

 

Разработана методика полного восстановления пространственного распределения поляризации пучка второй гармоники, генерируемой от поверхности нелинейного хирального 2D метаматериала. Продемонстрировано, что излучение второй гармоники, исходящее из локализованных внутри одного метаатома областей, частично поляризовано; при этом степень поляризации чувствительно к хиральности структуры. Наблюдаемые эффекты частично объясняются индуцированными колебаниями плазменного тока на основной частоте и локальным распределением поля.

 

 

Проведено исследование возможности создания компактного волоконного твердотельного магнитного градиометра, а также многоканальной волоконной системы для визуализации распределения магнитного поля. Основной идеей является интеграция квантового магнитного сенсора на основе NV-центров алмаза со специальными волоконными интерфейсами, позволяющими эффективно доставлять излучение оптического и СВЧ диапазонов к сенсору в нескольких пространственно разнесённых точках для возбуждения и детектирования спинов NV-центров в зависимости от пространственного распределения магнитного поля. Предложен новый подход проведения градиометрии магнитного поля при комнатной температуре с высокой чувствительностью, позволяющий восстанавливать вектор индукции поля. Использование кристалла алмаза с NV-центрами, к которому подводились два световода с интегрированной СВЧ линией, дало возможность измерять дифференциальный сигнал магнитного резонанса в пространстве и времени. Реализованы две различные экспериментальные конфигурации по измерению градиента магнитного поля в волоконном формате, обеспечивающие высокую чувствительность и устойчивость к временным флуктуациям магнитного поля.

 

Учебная работа. В 2017 г. прошли обучение в лабораториях МЛЦ и под руководством сотрудников успешно защитили выпускные квалификационные работы 2 бакалавра физического факультета.

 

Повышение квалификации. В 2017 г. открыта программа повышения квалификации «Программный инструментарий для автоматизации моделирования и обработки данных в задачах физики» (72 часа), рассчитанная на специалистов с высшим образованием и студентов вузов. Она включает 2 модуля «Основы программирования в Wolfram Mathematica» и «Моделирование и обработка данных в Wolfram Mathematica».

 

3 слушателя прошли повышение квалификации (72–144 часа), в т.ч. 1 – по программе дополнительного образования «Неразрушающий контроль материалов с использованием лазерно-ультразвуковых дефектоскопов», 2 – по программе «Автоматизация измерений и управления экспериментом». 1 стажёр обучался по индивидуальной программе (144 часа).

 

Довузовская работа. Проведено 3 экскурсии для учителей и школьников в лазерный практикум, которые сопровождались яркими демонстрациями, специально разработанными для знакомства с физическими основами лазеров и удивительными свойствами когерентного излучения.

 

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

Организованы и проведены:

– XXVI международный семинар по лазерной физике/26^th International Laser Physics Workshop (г. Казань);

– XXV международная конференция по современным лазерным технологиям/International Conference on Advanced Laser Technologies (г Пусан, Южная Корея).

 

Публикации. Опубликовано более 140 статей в ведущих научных журналах (из них более 80 в журналах из списка top 25% по версии Web of Science), 2 учебных пособия. Студенты и аспиранты различных факультетов стали авторами и соавторами более половины статей.