Физические основы лазерных, фотонных, оптоэлектронных процессов и взаимодействия лазерного излучения с веществом для решения задач нанофотоники, УТС, информатики и биомедицины

Объект исследования – лазерные источники излучения спектрального диапазона от видимого излучения до терагерцового, использующие различные активные среды – полупроводниковые, твердотельные, красители и газовые, работающие при разных мощностях излучения, с различными способами накачки, как в непрерывном, так и в импульсном (вплоть до фемтосекунд) режимах; лазерная плазма; различные объекты нанофотоники; новые наноматериалы и устройства хемо- и биосенсорики; жидкокристаллические среды для различных сенсорных устройств; лазерно-ускоренные электроны и ионы; Цель работы: проведение исследований в области лазерной физики, нелинейной и фемтосекундной оптики и нанофотоники; проведение теоретических и экспериментальных исследований в области рентгеновской оптики; создание устройств c управлением временной и пространственной структурой лазерного излучения; изучение взаимодействия лазерного излучения с веществом и процессов в лазерно-плазменной физике высоких энергий; развитие физико-химических основ материаловедения жидких кристаллов; исследования применения голографических оптических элементов в когерентных планарных осветителях, схемах виртуальных дисплеев и дисплеев дополненной реальности; разработка физических принципов и подходов высокопроизводительных лазерных технологий фабрикации функциональных наноструктур и наноматериалов; исследования антибактериальных лазерно-индуцированных наноматериалов; развитие теоретико-полевых и квантово-механических методов электродинамики, и применение их для актуальных задач нанофотоники, электродинамики и квантовой криптографии; Методология проведения работы: в рамках выполнения данной тематики Государственного задания проводились как экспериментальные, так и теоретические исследования, с использованием аналитических и численных методов в области нелинейной динамики, когерентной оптики, физики лазеров и физики плазмы. Результаты: - Исследованы нелинейные эффекты фазовой самомодуляции и ВКР в кристалле BaWO4 при его накачке лазерными УКИ с длиной волны 515 нм. - Экспериментально продемонстрирована простая методика широкополосного преобразования частоты излучения фемтосекундного титан-сапфирового лазера в средний ИК-диапазон при филаментации лазерного импульса в воздухе с последующей внутриимпульсной генерацией разностной частоты в кристалле LiGaS2. - Создана газовая ячейка с продольным направлением оптической накачки аммиака и поперечным зигзагообразным резонатором для ТГц излучения, проведены тестовые эксперименты по оптической накачке NH3 импульсным излучением СО2– и СО–лазеров. - Экспериментально исследовано внутрирезонаторное преобразование частоты излучения CO-лазера в нелинейном кристалле ZnGeP2 в условиях некритичного фазового синхронизма. - Выполнены параметрические исследования разработанной в рамках работ по проекту новой криогенной щелевой ВЧ разрядной СО-лазерной установки повышенной мощности. - Рассмотрены различные способы нелинейной компрессии 20-нс узкополосных импульсов электроразрядного KrF лазера в диапазон субнано- и пикосекундных импульсов (для их последующего усиления в широкоапертурном электронно-пучковом KrF лазерном усилителе) на основе ряда нелинейно-оптических процессов. - Продемонстрирована возможность поджига высоковольтного разряда с помощью фемтосеекундного лазерного импульса на расстоянии до 80 м от лазерной установки. - Исследованы основные параметры (спектральные, временные и пространственные) лазерного импульса, распространяющегося в условиях сильной нелинейности на протяженной трассе – до 150 м. - Разработана и создана экспериментальная установка для регистрации спектров и диаграмм направленности терагерцового излучения, генерируемого в плазменном канале, образующемся при филаментации фемтосекундных лазерных импульсов. - Получены данные об изменении угловых направленностей различных спектральных компонент терагерцового излучения, генерируемого плазмой одноцветного филамента при включении и изменении амплитуды внешнего электрического поля. - Показано, что значения коэффициентов двухфотонного поглощения сфокусированных лазерных пучков, рассчитанных в приближении плоских волн в области фокальной перетяжки и при учёте изменяющегося поперечного сечения светового пучка, различаются на два порядка величины. - Создана оригинальная физическая модель диодного лазера с вертикальным резонатором, на основе которой выполнен расчет его собственной комплексной частоты и спектральной зависимости оптических потерь его резонатора. - В лазере на красителях с раcсеивателем на смеси частиц и жидкости внутри резонатора получены 20нс импульсы генерации низкокогерентного излучения в диапазоне 550-650нм (видность интерференционной картины в схеме Юнга менее 0,1). - Предложена конструкция задающего генератора лазера для специальной многобанчевой фотопушки, позволяющей оптимизировать лазерно-электронный источник рентгеновского излучения. - Получена аналитическая формула для длительности импульсов, показывающая, что в пределе глубокой модуляции длительность импульсов перестает зависеть от параметров системы отрицательной обратной связи. - Исследовано формирование периодических наноструктур на поверхности оптически-прозрачных материалов (силикатных сплошных и нанопористых стекол, флюорита) под действием ультракоротких лазерных импульсов. - Охарактеризованы эффекты двулучепреломления и оптической активности (хиральности) для поверхностных наноструктур. - Изучен механизм абляции поверхности кремния в воздухе и воде под действием ультракоротких лазерных импульсов варьируемой длительности. - Установлен антибактериальный эффект лазерно-генерированных наночастиц на биопленки патогенных бактерий, методом ИК-спектроскопии отмечено проявление данного эффекта. - Впервые на примере одноимпульсной поверхностной абляции экспериментально продемонстрировано влияние ориентации линейной лазерной поляризации ультракоротких лазерных импульсов по отношению к кристаллографическим осям алмаза, отвечающей определенной ширине запрещенной зоны кристалла, на величину порога абляции. - Исследованы механизмы многофотонного поглощения ультракоротких лазерных импульсов ближнего ИК-диапазона внутризонными примесными оптическими центрами алмаза. - Продемонстрирован механизм ультраширокополосного возбуждения люминесценции внутризонных примесных оптических центров алмаза ультракороткими лазерными импульсами видимого диапазона в режиме электронного удара. - Предложен и подтвержден интерференционно-плазмонный механизм формирования двулучепреломляющих наноструктур в объеме флюорита под действием ультракоротких лазерных импульсов видимого и ближнего ИК-диапазона. - Предложен и успешно апробирован метод резонансной ИК-лазерной инактивации патогенных бактерий путем селективного воздействия на их функциональные органеллы. - Показано, что при облучении наночастиц фемтосекундными лазерными импульсами в деионизированной воде, термоэмиссия горячих электронов и их сольватация приводит к электролизации наночастиц и возникновению отрицательных напряжений превышающих пределы прочности материалов наночастиц, что вызывает их разрушение. - Разработаны жидкокристаллические ферриэлектрики с очень широким температурным интервалом ферриэлектрической фазы (до 40С), включающим в себя температуры, комфортные для человеческого организма. - Показано, что разработанные жидкокристаллические ферриэлектрики являются наиболее чувствительной к электрическому полю квадратичной электрооптической средой по сравнению со всеми известными квадратичными электрооптическими средами. - На основе этих ферриэлектриков создан лабораторный макетный образец фотонного биосенсора устройства медицинской диагностики, носимого на запястье пациента. - Получены новые результаты по развитию методов защищённого кодирования информации. - При экспериментах с помощью когерентной оптической томографии была определена статистика фотонов сверхизлучения, реконструирована функция Вигнера, а также матрица плотности квантовых сверхизлучающих состояний. - Разработано устройство голографической планарной подсветки для дисплейных систем. - Разработан метод записи голографических бим-шейперов волноводного типа для коллимации излучения полупроводниковых лазеров на длины волн 467 нм, 532 нм и 634 нм с дифракционной эффективностью не менее 34%. - Разработан метод формирования голографических волноводных устройств ввода-вывода брегговского типа с неоднородным распределением дифракционной эффективности при помощи мастер-голограммы, позволяющий снизить требования к когерентности записываемого излучения. - Созданы соответствующие стенды для записи и тестирования волноводных голографических осветителей. - Впервые решена задача о поверхностной фотоэмиссии электронов из одномерного (1D) кристалла в барьер с участием Таммовского состояния на границе между кристаллом и барьером. - Предложена новая формулировка квантовой механики, в которой квантовые состояния идентифицируются с распределениями вероятности. - Выяснена связь между представлением фазового пространства (функции Вигнера) и квантовой томографией, а также классической механикой. - Найдено теоретическое объяснение наблюдавшегося в эксперименте сужения спектра узконапраленной конической эмиссии ИК излучения при распространении филаментированного УФ УКИ KrF лазерного излучения в ксеноне. - С использованием итеративных методов разработан эффективный численный алгоритм восстановления фазы волнового поля на наклонной поверхности исследуемого объекта по значениям модуля амплитуды поля в плоскости изображения. - Адаптирован и реализован в программных кодах метод птихографии, как метод безлинзовой когерентной микроскопии, для получения изображений наклонных объектов с учётом пространственного разрешения детекторов. - На синхротронных каналах МАГАТЭ-XRF и TwinMic проведены эксперименты по рентгеновскому флуоресцентному микроанализу и микроскопии мышечных тканей с целью обнаружения отложений связанного натрия на клеточном уровне. - Синхротронная компьютерная томография была успешно использована для выявления микротрещин и изучения их эволюции в углеродных композиционных материалах под различной механической нагрузкой. - Проведены оценки электронной температуры лазерной плазмы для различных материалов мишени, исходя из сравнения экспериментальных рентгеновских спектров и рассчитанных ионизационных состояний плазмы. - Определён критерий для оценки времени гомогенизации лазерной плазмы пористой мишени по отраженному лазерному излучению. - Моделированием показана роль структурирования мишени и профиля интенсивности лазерного пучка для увеличения плотности плазмы эмитируемой струи в инициируемом лазером вакуумном разряде; показана возможность эмиссии в таком разряде пучка аномально ускоренных электронов. - Найден алгоритм численного решения уравнений динамики волны ионизации в поверхностном разряде в широком диапазоне напряженности внешнего электрического поля. - Показано влияние преплазменного слоя на мишени на ускорение электронов и ионов при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с плотной плазмой. - Получены экспериментальные диаграммы углового распределения рассеянного плазмой излучения при воздействии на сплошные массивные мишени из меди лазерного излучения наносекундной длительности как на основной частоте, так и на частоте второй гармоники. - Продемонстрировано, что процесс рассеяния происходит не изотропно, а диаграммы рассеяния для отмеченных двух частот различаются. - Проведена адаптация нелокальных моделей переноса, учитывающих кинетические эффекты, для гидродинамических расчетов сжатия термоядерных мишеней. - Продемонстрирована возможность создания источника бетатронного излучения повышенной яркости на основе ускорения электронов в режиме релятивистского самозахвата лазерного импульса. - Предложена комплексная диагностика параметров остросфокусированного мощного лазерного импульса по характеристикам ускоренных из разреженной плазмы электронов и протонов. - Получены пороги возникновения ионно-звуковой неустойчивости в плазме лазерного термоядерного синтеза с двумя сортами ионов; показана возможность эффективного использования микро-структурированных мишеней для создания компактного лазерного нейтронного источника. - Создана гидродинамическая программа ДИАНА-П расчёта взаимодействия тераваттного лазерного импульса с пористым веществом лёгких химических элементов. - Построена модель рассеяния лазерного излучения в частично-гомогенизированной плазме пористого вещества. - Построена аналитическая модель вынужденного рассеяния Мандельштама- Бриллюэна при взаимодействии двух пересекающихся лазерных пучков в плазме. - Установлена зависимость уменьшения нейтронного выхода термоядерной мишени непрямого сжатия при её облучении лазерно-индуцированным рентгеновским импульсом от амплитуды и длины волны возмущений пространственной однородности нагрева мишени. - Установлено значительное увеличение конверсии лазерной энергии в энергию рентгеновского излучения из объёмно структурированной мишени, содержащей компоненту тяжёлых химических элементов. - На основании расчетов по одномерной гидродинамической программе ДИАНА-П определены зависимости скорости переноса энергии и термодинамических параметров лазерной плазмы от параметров структуры пористого вещества. - Обоснован эффект значительного (в 1.5-2 раза) увеличения давления (вплоть до значений 20 Мбар), передаваемого ударной волне в твёрдой мишени от гидротепловой волны пористого аблятора – поглотителя лазерного излучения, по сравнению со случаем твёрдого аблятора. - Установлены оптимальные параметры малоплотного поглотителя лазерного излучения в термоядерной мишени, предназначенной для экспериментов на мегаджоульной установке Российского проекта.