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

Объект исследования - лазеры на различных активных средах, работающие как в непрерывном, так и в импульсном (вплоть до фемтосекундных импульсов) режимах излучения, в широком диапазоне мощностей, охватывающие спектральный диапазон от видимого излучения до терагерц; лазерная плазма и лазерно-ускоренные электроны и ионы; различные объекты нанофотоники; жидкокристаллические среды. Цель работы: проведение исследований в области лазерной физики, нелинейной и фемтосекундной оптики и нанофотоники; проведение теоретических и экспериментальных исследований в области рентгеновской оптики, новых типов рентгеновских источников и их применений в материаловедении и медицине; создание лазерных источников с ограниченной когерентностью; исследование ключевых процессов лазер-плазменной физики высоких энергий; рассмотрение возможности использования лазерно-ускоренных электронов и ионов для инициирования ядерных реакций с целью наработки медицинских радиоизотопов, а также для электронной радиотерапии; изучение взаимодействия лазерного излучения с веществом; развитие физико-химических основ материаловедения жидких кристаллов и создание на этой основе электрооптических модуляторов субмегагерцового диапазона; исследования применения голографических оптических элементов в схемах виртуальных дисплеев и дисплеев дополненной реальности; разработка принципов и отработка режимов записи нано- и микроструктурных элементов в прозрачных средах ультракороткими лазерными импульсами; разработка и апробация физических методов антибактериального действия; проведение комплексного самосогласованного трехмерного моделирования процесса усиления мощных ультракоротких ТГц импульсов в неравновесных протяженных плазменных каналах Методология проведения работы: в рамках выполнения данной тематики Государственного задания проводились как экспериментальные, так и расчетно-теоретические исследования, с использованием аналитических и численных методов в области нелинейной динамики, когерентной оптики, физики лазеров и физики плазмы. Результаты: - Продемонстрирована возможность сверления отверстий субмиллиметрового диаметра с аспектным соотношением ~100 в органическом стекле излучением СО-лазера. - Измерены пороги лазерно-индуцированного повреждения кристалла ZnGeP2 с просветляющим покрытием и без него под воздействием (суб)пикосекундных лазерных импульсов с длиной волны 1030 нм. - Реализовано ВКР растянутых во времени до 40 пс чирпированных (исходная длительность 0.35 пс) импульсов титан-сапфирового лазера с длиной волны 0.92 мкм в кристалле BaWO4 с эффективностью ~50% в схеме с тремя последовательно расположенными образцами кристалла. - В сжатом до 10 атм элегазе (SF6) и метане (CH4) при давлении 50 атм зарегистрировано высоконаправленное отражение назад для узкополосного излучения (Δν~0.2 см-1) с энергетической эффективностью до 14%, сопровождавшееся временной компрессией импульсов: в SF6 до ~ 2−3 нс за счет ВРМБ и до 30‒60 пс за счет ВКР; в CH4 длительность отраженных за счет ВРМБ импульсов укорачивалась до ~ 4 нс, а для прошедших импульсов – до 3 нс. - Изучен механизм абляции поверхности золота в воздухе и воде под действием ультракоротких лазерных импульсов варьируемой длительности. - Обнаружен антибактериальный эффект для патогенных бактерий низких электрических напряжений на наноструктурированной поверхности материалов. - Экспериментально показано, что инвариантом филаментации ультракоротких лазерных импульсов с разной длиной волны и длительностью импульса в природных и чистых синтетических алмазах является критическая энергия, а не пиковая мощность лазерных импульсов. - Продемонстрирована возможность поджига высоковольтного разряда с помощью фемтосекундного лазерного импульса на расстоянии до 80 м от лазерной установки. - Получены распределения линейной плотности плазмы, генерируемой при филаментации лазерных импульсов на основной частоте (длина волны 960 нм) и на частоте второй гармоники (480 нм). - Проведены расчёты различных схем фотон-электронного взаимодействия в томсоновском (комптоновском) источнике, выполнен анализ их эффективности и возможности реализации при строительстве источника на разных площадках, таких как НИИЯФ МГУ, НЦФМ (г.Саров), Си-тау фабрика и т.п. - Выполнено численное моделирование распространения мягкого рентгеновского излучения в сквозных цилиндрических порах в майларовых трековых мембранах, используемых в качестве фильтров в космических солнечных телескопах. - На основе алгоритмов птихографии предложен новый метод исследования качества рентгеновских зеркал большого размера, используемых на каналах синхротронных источников. - С помощью синхротронной компьютерной томографии проведён трёхмерный анализ различных повреждений микроструктур слоистых углеродных композиционных материалов при механической нагрузке до 1 ГПа. - В неодимовых лазерах на кристаллах граната и ванадата с внутрирезонаторным раcсеивателем на смеси твердых частиц и жидкости получено направленное излучение с пониженной и управляемой степенью пространственной когерентности (видность интерференционной картины в схеме Юнга 0,1- 0,2). - Предложен усовершенствованный вариант конструкции лазера специальной многобанчевой фотопушки лазерно-электронного источника рентгеновского излучения (ЛЭИРИ), в котором на аксиальном интервале генерируются m равноудаленных импульсов. Для быстрого формирования импульсов предложено использовать комбинацию двух электрооптических отрицательных обратных связей (ООС) с варьируемой задержкой. Предложенная архитектура привлекательна также и для источника гигагерцовой последовательности коротких световых импульсов фотонного АЦП. - Впервые показано, что резонансное поглощение на 3D квазидискретных состояниях (уровни Тамма, квантовые точки в барьере металл-полупроводник, адсорбированные молекулы) приводит к существенному увеличению генерации горячих электронов в наноструктурах металл-полупроводник, что способствует плазмонному фотокатализу. - Построена теория вынужденного рассеяния Рэлея-Ми пикосекундных лазерных импульсов в наноколлоидных средах с двухфотонным поглощением. - Показана возможность получения импульсов с высокой степенью униполярности в условиях 3D геометрии при усилении одноцикловых ТГц импульсов в сильнонеравновесной быстро релаксирующей плазме ксенона, созданной фемтосекундным УФ лазерным импульсом. - Найдено теоретическое объяснение наблюдавшегося в эксперименте сужения спектра узконапраленной конической эмиссии ИК излучения при распространении филаментированного УФ УКИ KrF лазерного излучения в ксеноне. - Впервые в мировой практике созданы спиральные наноструктуры жидкокристаллических ферриэлектриков (СНЖФ) с шагом спирали около 100 нм, термодинамически устойчивые в широком интервале температур (от -3С до +46С), удобном для практических приложений в генераторах вихревых световых полей. - Выполнено теоретическое моделирование макетного лабораторного образца генератора вихревых световых полей на основе СНЖФ; - Впервые выполнен химический синтез нового жидкокристаллического соединения 2-(3-фтор-4'- пентилбифенил-4-ил)-5-гексилпиримидина, что позволило существенно упростить разработку новых жидкокристаллических сегнетоэлектриков с шагом, спирали менее 100 нм; - Впервые создан жидкокристаллический электрооптический модулятор, работающий на частоте до 400 килогерц, в температурном интервале от 20С до 50С, при максимальном светопропускании до 25%; - В ходе работы по развитию методов защищённого кодирования информации предложена оригинальная методика защиты связанного списка критических данных. - Экспериментально показана возможность создания интегрированного излучателя с суммарной мощностью излучения лазерных диодов с сохранением дифференциальной эффективности (свыше 70% от теоретического предела) от каждого отдельного лазерного диода. - Использование объемной фазовой решетки, в качестве спектрально селективного элемента резонатора и общего выходного зеркала для суммированных пучков позволяет сузить ширину спектра излучения до уровня 0.02 нм и менее. - Установлено, что при записи отражательных ГОЭ подложки конечной толщины вносят значительные искажения, проявляющиеся при воспроизведении как волнами, совпадающими записанным волнам, так и комплексно-сопряженными использовавшимися при записи. - Проведено компьютерное моделирование схемы записи широкоапертурных внеосевых голографических линз для дисплеев дополненной реальности и сравнение с экспериментальными данными, показано влияние конфигурации стека регистрирующей среды на аберрации таких линз. - Продемонстрирована работа голографического перископического волновода с селективным возбуждением волноводных мод на неселективной голографической решетке и в режиме двухкоординатного размножения выходного зрачка дисплея дополненной реальности на таких решетках. - Созданы компьютерная модель и соответствующие стенды для записи и тестирования волноводных голографических осветителей в предложенных режимах работы. - По экспериментальным спектрам многозарядных ионов определен ионный состав лазерной плазмы. - Разработан и применен алгоритм реконструкции рентгеновских изображений плазмы, полученных с помощью кодирующих апертур. - Установлено, что при бомбардировке танталовой мишени пучком электронов из вакуумного разряда генерируется рентгеновское излучение в диапазоне 3-100 кэВ с максимальной энергией квантов, превышающей приложенную разность потенциалов на разрядном промежутке в 9 - 10 раз. - В результате сшивки отдельных участков экспериментальных рентгеновских спектров построен единый абсолютный спектр для плазмы, создаваемой воздействием на мишень фемтосекундного лазерного импульса. - С помощью масс-спектрометра Томсона получены распределения ионов по удельному заряду из лазерной плазмы алюминиевой мишени. Установлено, что ионы Al с различной зарядностью (от 2 до 10) имеют одинаковую максимальную энергию. - Предложен механизм низкокогерентной генерации в NdYVO4 лазере с иммерсионным диффузором на основе смеси микрочастиц кристалла LiF и изобутилового спирта. - Получены численные решения для основных параметров волны ионизации в Ne, Ar и Xe: скорости движения и толщины фронта, плотности распределения и средней энергии электронов, распределения напряженности электрического поля внутри фронта. - Получены диаграммы углового распределения рассеянного плазмой лазерного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, зарегистрированы спектры излучения плазмы в диапазонах МРИ (мягкое рентгеновское излучение) и ВУФ (вакуумный ультрафиолет), а также интегральные изображения и эволюция разлёта алюминиевой плазмы в рентгеновском диапазоне. - Построена теория сходящейся ударной волны при частичном переносе энергии лазерно-ускоренными электронами в мишени ЛТС и установлена зависимость давления за фронтом волны от степени трансформации лазерной энергии в энергию быстрых электронов и температуры этих частиц. - Обосновано применение слоя микроразмерного пористого вещества лёгких химических элементов в качестве малоплотного поглотителя излучения лазерного импульса в экспериментах по исследованию уравнения состояния вещества. - Получено расчётно-теоретическое обоснование эффективной генерации ТГц излучения в кольцевых мишенях, облучаемых ультракоротким лазерным импульсом высокой интенсивности, за счёт возбуждения импульса разрядного тока в заданном направлении. - Создана гидродинамическая двумерная программа NUTCY-F расчёта взаимодействия тераваттного лазерного импульса с пористым веществом лёгких химических элементов. - На основании расчетов по созданной двумерной гидродинамической программе определены зависимости термодинамических параметров лазерной плазмы от средней плотности и параметров структуры пористого вещества легких элементов с плотностью 1-50 мг/см3 для широкого диапазона параметров лазерного импульса (1-3 гармоники Nd-лазера, интенсивность 1012 -1015 Вт/см2), которые находятся в хорошем согласии с данными имеющихся экспериментов на установках ЛУЧ (Россия), PALS (Чехия) и PHELIX (Германия). - Установлен эффект значительного (в 2-3 раза) снижения энергии зажигающего импульса мишени ударно-волнового зажигания, предназначенной для экспериментов на строящейся мегаджоульной установке РФЯЦ ВНИИЭФ. - Определено тепловыделение при высокочастотном нагреве физиологических растворов, сенсибилизированных суспензией наночастиц кремния и золота. Показана существенная роль двойного электрического слоя, образующегося вблизи их поверхности, на эффективность нагрева коллоидного раствора. - При исследовании оптических свойств композитных наночастиц кремния с осаждёнными на их поверхности НЧ золота гораздо меньших размеров показан многократный рост напряжённости электрического поля вблизи нанокомпозитных частиц в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, что приводит к росту фоторазогрева нанокомпозитных частиц и может быть использовано в биомедицине. - На основе трехмерного численного моделирования ускорения электронов и ионов короткими мощными лазерными импульсами показана возможность использования современных лазерных систем для наработки ряда медицинских изотопов. За отчетный период подготовлено и опубликовано 110 публикаций в высокорейтинговых рецензируемых журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus или РИНЦ, а также 31 публикация в сборниках материалов международных и российских конференций, получен один патент РФ.