МГУ–2015: 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.

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

 

Наука. МЛЦ является исполнителем исследований по грантам РНФ, РФФИ, президентским грантам молодым учёным, а также ФЦП, контрактам и ряду хоздоговоров.

В 2015 г. завершено выполнение гранта Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по теме «Терагерцовая оптика для нано- и биотехнологий» (рук. проф. В.А.Макаров). Среди членов школы 13 молодых учёных, в т.ч. 4 аспиранта и 3 студента физического факультета. По результатам выполненных ранее НИР получены 2 патента на изобретения, правообладателем которых является Московский университет.

 

За инновационные достижения сотрудники удостоены Золотой медали на Международной выставке «Investions Geneva 2015» и Гран-При Всемирной организации интеллектуальной собственности WIPO на Международной выставке изобретений и инноваций в США «Impex 2015».

МЛЦ активно пропагандирует достижения университетской науки в СМИ. В 2014 г. в научно-популярных телевизионных программах принимали участие профессора А.Б.Савельев-Трофимов, Д.Ю.Паращук. В 2015 г. проф. А.М.Жёлтиков в программе ПостНаука рассказал о том, что лежит в основе методов нейрофотоники и какие возможности для лечения нейродегенеративных заболеваний открывает новый тип оптоволоконных нейроинтерфейсов. В региональной программе Вести-Новосибирск он обсудил рискованные эксперименты с подключением оптического интерфейса напрямую в мозг.

 

Основные научные достижения в 2015 г.:

Выполнены пионерские исследования нелинейно-оптических эффектов, возникающих в сверхкритических средах при распространении в них интенсивного (более 10¹³ Вт/см²) фемтосекундного лазерного излучения видимого (0,6 мкм) и ИК (1,24 мкм) спектральных диапазонов. Установлено, что сверхкритические флюиды являются уникальным источником мультиоктавного суперконтинуума, возникающего при филаментации мощного фемтосекундного лазерного излучения. Достигнута генерация суперконтинуума шириной в три с половиной октавы (от 350 до 2000 нм) в сверхкритическом ксеноне.

Исследовано влияние динамической кривизны волнового фронта на плазменные каналы фемтосекундных лазерных филаментов в газах. Показано, что, изменяя суммарную оптическую толщину всех элементов проходной оптики, можно управлять длиной филаментов и плазменных каналов за счёт смещения точки старта филаментации.

Впервые показано, что при острой фокусировке мощного лазерного импульса в воду в ней формируется суперфиламент – стабильная от импульса к импульсу структура, возникшая в результате взаимодействия отдельных филаментов. Каждая точка суперфиламента становится центром образования сферических ударных волн и кавитационных пузырей.

Предложен новый подход для описания векторных, непараксиальных и нелинейных эффектов при острой фокусировке лазерного излучения параболическим зеркалом. Выведено уравнение для вектора Герца, обобщающее непараксиальное уравнение однонаправленного распространения лазерного излучения на случай эллиптической поляризации, в т.ч. учитывающее продольное поле.

Исследовано влияние дисперсии на пространственно-временную трансформацию волнового пакета фемтосекундной длительности при фокусировке аксиконом. Предложен метод приближённого расчёта эволюции гауссового волнового пакета, сфокусированного аксиконом в линейную диспергирующую среду.

Экспериментально исследованы зависимости эффективности генерации терагерцового и рентгеновского излучения при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов короткой длительности с газокластерными струями аргона и смеси аргона и фреона для случая одночастотной накачки. Определены зависимости эффективности генерации от избыточного давления газа, энергии и длительности положительно и отрицательно чирпированных лазерных импульсов. Разработана методика характеризации высоколегированных полупроводниковых материалов с помощью возбуждения и анализа распространения поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона частот.

Исследована зависимость энергии терагерцового сигнала, полученного в результате оптического пробоя воздуха от состояния поляризации двуцветной накачки. Показано, что в случае линейной поляризации второй гармоники, максимальный сигнал ТГц излучения наблюдался, если волна основного излучения имеет эллиптическую поляризацию.

Проведено теоретическое исследование квазисинхронной генерации второй гармоники при нелинейной дифракции Рамана-Ната в двумерных нелинейных фотонных кристаллах с постоянной и чирпированной модуляцией квадратичной нелинейности. Показано, что квадратичная зависимость фазы комплексного коэффициента отражения от проекции волнового вектора на границу раздела позволяет восстановить профиль монохроматического пучка, искажённый дифракцией на пути от источника до фотонного кристалла.

Показано, что выбор формы лазерного импульса, нормально падающего на изотропную среду с аномальной частотной дисперсией и безынерционной кубической нелинейностью, в виде солитонного решения системы нелинейных уравнений Шрёдингера обеспечивает формирование в процессе его дальнейшего распространения эллиптически поляризованной уединённой волны, даже если длительность падающего импульса меньше периода колебаний электрического поля.

Исследовано влияние параметров структурной ячейки полимерного метаматериала на характер пропускания и отражения нормально падающих на образец эллиптически поляризованных импульсов. Установлено, что при падении на образец лазерных импульсов длительностью в 10 и более периодов колебаний электрического поля в линейной среде возникает режим селективного отражения циркулярно поляризованных компонент падающего излучения.

 

Разработан интегрированный с СВЧ линией волоконный зонд для сверхточных оптических измерений магнитных полей и температуры. Продемонстрирована возможность применения такого волоконного зонда к высокоточным измерениям магнитных полей с пространственным разрешением менее 30 мкм.

Реализована возможность существенного расширения диапазона частот повторения лазеров мощных пикосекундных импульсов на Nd:YAG с импульсной продольной диодной накачкой. Получена устойчивая генерация импульсов с энергией 1,2 мДж на частотах повторения от вплоть до 200 Гц. Длительность генерируемых импульсов изменялась в диапазоне 20–100.

Показано, что оптическое воздействие может быть успешно использовано для конвертации прекурсора в металлические наночастицы при сверхкритическом осаждении в объёмных нанопористых материалах. Спектроскопия экстинкции позволяет при этом проводить диагностику процесса синтеза в режиме реального времени.

Предложен метод измерения параметров турбулентности природных сред, основанный на регистрации датчиком Гартмана искажений волнового фронта прошедшего излучения и анализе статистики коэффициентов разложении фазовых флуктуаций по полиномам Цернике.

 

Разработаны и апробированы новые лазерные методы измерения скоростей химических реакций, в т.ч. ферментативных, для определения особенностей функционирования молекулярных машин в различных условиях. Рассчитаны и измерены константы скорости для реакции гидролиза этилацетата.

Создана экспериментальная установка для лазерной дифрактометрии эритроцитов на мазках крови. Показано, что измерение размеров эритроцитов методом лазерной дифрактометрии значительно менее трудоёмко, чем с помощью микроскопа, и обеспечивает высокую скорость обработки данных.

Методом импульсной терагерцовой спектроскопии в диапазоне частот 0,05–2,5 ТГц проведены исследования плазмы крови лабораторных животных – здоровых и с диабетом. Выявлено достоверное изменение коэффициентов пропускания и отражения образцов крыс с диабетом.

Предложен новый метод контроля состояния роговицы человеческого глаза с использованием терагерцового излучения в диапазоне 0,05–1,2 ТГц. Основным элементом диагностической установки является фотомиксер, обеспечивающий преобразование суммарного излучения двух одномодовых диодных лазеров оптического диапазона с близкими частотами.

С помощью термометрического устройства на основе гибридного оптического/СВЧ зонда с квантовым сенсором (микрочастица алмаза с отрицательными NV-центрами) продемонстрирована адресная индивидуальная термогенетическая активации живых клеток. Уникальные свойства реализованного зонда позволяют не только измерять температуру биологических объектов с высокой точностью и микронным пространственным разрешением, но и локально её изменять, тем самым реализуя возможность управления функциональной активностью термочувствительных клеток.

Исследованы образцы красочных пигментов с настенных изображений из Каповой пещеры с помощью лазерной КР микроспектроскопии. Обнаруженный набор веществ характерен для палеолитических красок из памятников Франко-Кантабрии.

Создана уникальная методика анализа сверхмалых включений в бумажные материалы, основанная на применении методов лазерной абляции и лазерной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света. Применение разработанной техники позволяет проводить бесконтактное исследование состава бумажного листа.

 

Предложен и экспериментально реализован способ измерения температуры поверхности металлической плёнки в процессе импульсного лазерного воздействия, который может быть использован для широкого класса металлов и сплавов в области около- и сверхкритических температур. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность нахождения временных зависимостей температуры поверхности тонкой алюминиевой плёнки в диапазоне температур до и выше критической (2–14 кК).

Разработана методика регистрации частотно-угловых спектров излучения в тонком (менее 100 мкм) плазменном канале, формирующемся при фемтосекундной филаментации на воздушной трассе. Предложенная оптическая схема передачи пучка на входную щель спектрографа монохроматора с использованием стеклянного клина обеспечила измерения частотно-угловых спектров в диапазоне от 400 до 1100 нм с высоким частотным и угловым разрешением.

Исследована генерация излучения ТГц- и рентгеновского диапазонов при воздействии на кластеры аргона фемтосекундных импульсов интенсивностью порядка 10¹⁷ Вт/см² и энергией до 25 мДж. Показано, что эффективная генерация ТГц-излучения происходит при чирпировании лазерного импульса до длительности около 300 фс, в то время как для максимального выхода рентгеновского излучения требуется минимальная длительность возбуждающего оптического импульса (порядка 50 фс). Таким образом открывается возможность с помощью варьирования длительности воздействующего лазерного импульса изменять уровень ТГц- и рентгеновского сигналов, синхронно генерируемых в газокластерной струе.

Показано, что ТГц-излучение, сгенерированное в наноплазме линейно поляризованным лазерным импульсом, так же имеет линейную поляризацию. При этом, энергия ТГц-пучка линейно растёт с увеличением энергии лазерного импульса.

 

Разработан экспериментальный метод исследования высокоэнергетической области фазовой диаграммы алюминия. Такое состояние достигается при поглощении мощного наносекундного лазерного импульса поверхностью тонкой алюминиевой плёнки, нагруженной прозрачным диэлектриком, с последующим возбуждением в ней мощного ультразвукового импульса – так называемый оптико-акустический эффект. Предложенная методика впервые позволила одновременно исследовать временную динамику температуры, давления и плотности алюминия в одном термодинамическом цикле его остывания после окончания действия лазерного импульса.

Впервые осуществлена лазерная генерация низкочастотного ТГц-излучения в тонких плёнках диоксида ванадия в условиях фазового перехода. Продемонстрировано существенное (до 30 раз) увеличение эффективности генерации при переходе к проводящему состоянию. Создан прототип ТГц-зеркала, эффективность работы которого определяется температурой и интенсивностью лазерного излучения. Полученные результаты открывают новые возможности для создания компактных источников ТГц излучения.

Численно проанализирована эффективность поглощения энергии поверхностью солнечной батареи в зависимости от параметров её покрытия наночастицами. Показано преимущество использования серебра, как материала для наночастиц по сравнению с другими металлами. Установлено, что при больших углах падения света сферическая форма частиц является неэффективной, лучший результат дают сфероидальные наночастицы. Полученные спектральные характеристики слоя наночастиц позволяют оценить эффективность покрытия для произвольных фоточувствительных слоёв.

 

Впервые исследовано формирование нескольких фантомных изображений с использованием многомодовых запутанных квантовых состояний световых полей. Показано, что при использовании четырёхмодовых запутанных состояний в фантомных изображениях удается получить одновременно три изображения, что позволяет существенно повысить качество реконструируемого изображения, по сравнению со схемами, в которых используются двухмодовые запутанные оптические состояния или квазитепловые световые источники.

В рамках ранее развитой непертурбативной теории описаны факторы, позволяющие управлять анизотропией отклика отдельного атома на электромагнитное поле с заданным состоянием поляризации. Показано, что при использовании многочастотного лазерного импульса открывается возможность эффективного управления состоянием поляризации электрического поля электромагнитного отклика вещества. Показано, что генерация гармоник атомарными и молекулярными средами под воздействием мощных лазерных импульсов является перспективным методом генерации когерентного излучения как в длинноволновой, так и в коротковолновой областях спектра.

Проанализирована роль связанных состояний в процессе туннельной фотоионизации в сильном световом поле. Показано, что последняя не может быть описана, как многофотонная или туннельная ионизация с основного связанного состояния. Эволюция электронного пакета внутри атомной потенциальной ямы приводит к фотоионизации за счёт туннелирования из высоко лежащих возбуждённых состояний. В случае больших интенсивностей это обеспечивает существенное увеличение эффективности преобразования электронного волнового пакета в континуум, при котором открывающийся ионизационный канал доминирует над процессом туннелирования из основного состояния атома.

Изучено изменение оптических свойств двухуровневого квантового излучателя (квантовой точки, молекулы), расположенного вблизи плазмонной наночастицы и взаимодействующего с лазерным излучением с конечной шириной линии. Показано влияние наноокружения на эффект антигруппировки фотонов, излучаемых при резонансной флуоресценции атома. Установлено, что корреляционная функция второго порядка существенно зависит от интенсивности ближнего поля наночастицы, в котором находится атом, скорости радиационного распада атома, ширины линии лазера и отстройки от атомного перехода. Продемонстрировано, что квантово-оптические свойства фотонов, излучаемых атомом при резонансной флуоресценции, позволяют получать информацию о расположении атома около нанообъекта и о его взаимодействии с ним.

 

Учебная работа. Разработана и объявлена новая программа повышения квалификации «Неразрушающий контроль материалов с использованием лазерно-ультразвуковых дефектоскопов».

Повышение квалификации и стажировку прошли 6 человек.

 

Конференции. Сделано 107 докладов на российских и международных конференциях, в 70% докладов авторами/соавторами выступали студенты и аспиранты МГУ.

Организованы и проведены:

– XXIV международный семинар по лазерной физике/24th International Laser Physics Workshop (LPHYS'14, г. Шанхай, КНР);

– XXIII ежегодная международная конференция по лазерным технологиям/23nd International conference on Advanced Laser Technologies (ALT-2014, г. Фаро, Португалия);

– VII российско-финский семинар по фотонике и лазерам (г. Саратов).

 

Публикации. Опубликовано 122 статьи в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, 8 учебных пособий. Студенты и аспиранты различных факультетов стали авторами и соавторами более половины статей; 66 статей из полного числа публикаций представлены в топ 25% ведущих научных журналов по версии Web of Science.