Кинетические и нелинейные волновые процессы в неравновесных открытых средах, разработка и создание новых эффективных источников излучения от УФ до среднего ИК диапазона, формирование структурированных световых полей и исследование взаимодействия лазерного излучения с материалами и квантовыми объектами для целей лазерных и оптических технологий в промышленности, медицине, информатике, геофизике и навигации

Цель проекта: теоретическое и экспериментальное исследование распространения в свободном пространстве световых полей, связанных с интегралами дифракционных катастроф, разработка новых схем комплексных оптических ловушек на основе структурированных световых полей, проведение исследований в области пространственной временной динамики широкоапертурных лазерных систем, структурообразования в космической плазме; создание и развитие моделей физико-химической кинетики процессов в низкотемпературной плазме, газовом разряде и горении, построение профилей поверхности потенциальной энергии и нахождение констант скоростей реакций многоатомных молекул; экспериментальное и теоретическое изучение механизмов фотофизических процессов в одиночных квантовых излучателях и их ансамблях; разработка методов синтеза новых наноматериалов для различных приложений в фотонике и сенсорике; прогнозирование, синтез и экспериментальное исследование свойств новых пористых материалов на основе металл-органических каркасных соединений для использования в газовых контейнерах, катализаторах и топливных элементах водородной энергетики; разработка теоретических и синтетических методов поиска перспективных материалов, в т.ч. для лазерной генерации; исследование взаимодействия лазерного излучения с материалами и квантовыми объектами для развития лазерных и оптических технологий в промышленности, медицине, информатике, геофизике и навигации, в том числе, проведение исследований по взаимодействию лазерного излучения с металлами, сплавами и коллоидом наночастиц металлов для формирования заданных структурных, прочностных, трибологических и спектральных свойств и характеристик образующихся структур. Методология проведения работы – в рамках выполнения данной тематики Государственного задания проводились экспериментальные работы и теоретические исследования с использованием аналитических и численных методов в области нелинейной динамики, когерентной оптики, физики лазеров и лазерных технологий, физики и химии горения, спектроскопии, физики газового разряда, квантовой химии и статистической физики. Результаты работы 1. Численно и экспериментально найдены распределения интенсивности и фазы световых полей на основе функций Эйри Ai3 и Пирси Pe3 при распространении в зоне Френеля. Экспериментально обоснована возможность реализации с помощью ЖК ПМС 1920×1080 световых полей Ai3 при параметре смещения c<25, и Pe3 при c<10. Определен интервал значений местоположения плоскости автофокусировки полей Ai3 и Pe3 для различных значений параметра смещения. 2. Впервые реализованы вихревые оптотермические ловушки в виде перестраиваемых конфигураций разнообразных геометрических форм. Модификация фазовых масок рассчитанных дифракционных оптических элементов для адаптации к условиям эксперимента осуществлялась с помощью дополнительно разработанного программного модуля для работы с жидкокристаллическим пространственным модулятором света дисплейного типа. Продемонстрированы возможности структурированных оптотермических ловушек для захвата и перемещения микрочастиц и их эффективной группировки в заданных конфигурациях. 3. Получены новые пять металл-органических координационных полимера (МОКП) с Cu(II) и гетероциклическими N-оксидами, три 3D МОКП топологии dia, два люминесцентных 2D МОКП топологии sql, один поверхностно-слойный сорбент SiO2@MIL-101(Cr), композиционный материал MOF/полиазоамин. Метод топологического прогнозирования способов трансформации химических связей в твердом теле адаптирован для МОКП. В обзорной работе систематизированы топологические методы описания и прогнозирования структуры и свойств координационных полимеров. 4. Обобщены расчетные методы дизайна материалов для металл-ионных аккумуляторов. Изучены структурные особенности и механизм диффузии ионов Li в твердых электролитах Li7La3Zr2O12, легированных танталом. Установлен механизм проводимости редкоземельных слоистых оксимолибдатов Ln2MoO6 (Ln = La, Pr, Nd). 5. Созданы трех-периодические минимальные поверхности из кристаллических структур. Разработан новый алгоритм прогнозирования степени окисления металлов с кислородным окружением в координационных соединениях. Представлены новые онлайн сервис TopCryst для построения и анализа топологических представлений кристаллических структур. 6. Исследована пространственно-временная нелинейная динамическая модель, описывающая полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором с внешним оптическим излучением с учетом роли фактора Генри. 7. Проведено численное моделирование статистики появления оптических “волн-убийц” в лазере с запаздывающей оптоэлектронной обратной связью, в результате чего определены условия возникновения экстремальных и сверхэкстремальных импульсов. 8. Рассчитаны параметры автоволнового импульса при условиях, характерных для области фотодиссоциации барьера Ориона. 9. Построены зависимости фазовых скоростей медленных магнитоакустичеких волн от периода волны в горячих корональных петлях с учетом теплового дисбаланса и теплопроводности в приближении тонкой трубки. 10. Создана численная плазмохимическая модель диэлектрического барьерного разряда, с помощью которой показано различие в динамике образования микроразрядов в кислороде, воздухе и в смесях кислорода и воздуха с метаном. 11. Рассчитан выход ряда продуктов пиролиза углеводородов с помощью созданной CFD модели высокотемпературного реактора. Результаты расчетов совпали с экспериментальными измерениями, что подтверждает предложенные кинетические схемы образования этих продуктов. 12. Методами квантовой химии рассчитаны профили ППЭ для ряда реакций углеводородов и на этой основе предсказано образование интермедиатов и конечных продуктов. С использованием методов статистической физики рассчитаны константы скоростей, важные для кинетического моделирования процессов горения, образования сажи и возникновения сложных молекул в условиях низких температур. 13. Сравнением результатов эксперимента и численного моделирования получены значения констант скорости энергообменных процессов между р- уровнями Ar в плазме Ar-He, косвенно участвующих в лазерном цикле ЛОНИГ. 14. Определены граничные значения амплитуды, длительности, частоты повторения импульсов напряжения и для существования ИПР. Выявлено значительное увеличение влияния частоты дезактивации примесями атомов Ar(1s5) на их среднюю концентрацию с ростом содержания аргона в аргон-гелиевой смеси. 15. С помощью численной модели для расчета распределения населенности молекулярных уровней энергии при накачке широкополосным лазером получено объяснение процессов оптического охлаждения вращательных уровней молекулы катиона монооксида кремния (SiO+) в ионной ловушке. 16. Установлено, что величина, глубина и профиль остаточных сжимающих напряжений в сплавах АМг6 и Д16 после лазерной ударной обработки зависят от вида их предварительной термической обработки – закалки или отжига, увеличиваясь с толщиной материала и достигая в максимуме минус 300 МПа и глубины 2 мм. При этом максимальные значения плотности дислокаций увеличиваются в 8-10 раз до 6×1014 м-2. 17. Для контактной пары системы трибоиспытаний «втулка-конус», изготовленных из материалов близких по своим прочностным характеристикам и перемещающихся друг относительно друга при нормальной нагрузке до 3000 Н и давлении в зоне контакта до 140 МПа, не установлено снижение коэффициента трения после лазерной упрочняющей обработки. 18. В результате обработки коллоида, содержащего наночастицы золота, серией электрических разрядов напряжением до 15 кВ, энергией до 20 Дж, длительностью импульса до 100 нс, зарегистрировано формирование новых полос поглощения на 300 и 325 нм, по всей видимости, связанных с модификацией углерода, формируемого как в процессе получения коллоида НЧ методом лазерной абляции, так и при термическом воздействии плазменного жгута электрического разряда на органический растворитель ТГФ. 19. Реализован полупроводниковый лазер с микрорезонатором на основе наноразмерной гетероструктуры CdS/ZnSe/ZnSSe с разрывами зон второго II-типа при продольной накачке излучением лазерного диода с длиной волны 440 нм. Достигнута импульсная мощность 0.32 Вт на длине волны 525 нм при дифференциальном КПД в 10 %. С учетом только потерь на вывод излучения, сделана оценка снизу достигаемого в лазере коэффициента оптического усиления значением более 5000 см-1. Возможность достижения столь высоких коэффициентов усиления на гетероструктуре с разрывами зон второго II-типа подтверждены расчетами. 20. Впервые реализован импульсный ПДЛ на основе наноразмерной гетероструктуры CdS/ZnSe/ZnSSe при продольной накачке излучением ЛД с длиной волны 430 нм. Использовался составной резонатор, включающий микрорезонатор и внешнее зеркало обратной связи. При использовании внешнего резонатора близкого к полуконцентрическому достигнута импульсная мощность 57 мВт на длине волны 521 нм при дифференциальном КПД в 1.5 %. В случае полуконфокального резонатора полный угол расходимости излучения составлял 5 мрад. Относительно низкие энергетические характеристики лазера связываются с рассогласованием длины волны резонансно-периодического усиления с модой микрорезонатора. Представленные результаты показывают перспективность использования гетероструктур CdS/ZnSe в ПДЛ. 21. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы и проведен патентный поиск в области исследований и технологий изготовления приборов УФ-С фотоники с электронной накачкой, а также возможных их применений. Показана перспективность разрабатываемых устройств при использовании их в качестве портативных устройств для обеззараживания воды, воздуха, материалов и продуктов питания, в медицине, криминалистике, биологии, фотолитографии. 22. Найдены технологические решения увеличения эффективности генерации Cr:CdTe лазера; показана возможность повышения концентрации Co при выращивании качественных кристаллов Co:CdTe из паровой фазы. 23. Разработан пичковый лазер на кристалле Cr:CdSe для внутрирезонаторной спектроскопии токсичных газов в атмосфере. Пичковый режим позволил существенно увеличить отношение сигнал/шум и повысить предел чувствительности обнаружения газов. 24. Разработан Er:YAG квантрон с накачкой лазерными диодами для накачки Fe:ZnSe лазера. Получена средняя мощность Fe:ZnSe лазера в 0.5 Вт на длине волны вблизи 4 мкм. При комнатной температуре кристалла получены импульсы с энергией 0.03 мДж, длительностью 100 нс, частотой повторения 15 Гц и длиной волны 3.95 мкм. 25. Импульс иттербиевого лазера длительностью 250фс с энергией 3,8 мкДж сжат в 2,7 мкДж импульс длительностью 13,3 фс при использовании волокна револьверного типа длиной 50 см с диаметром поля моды 25.9 мкм, заполненного ксеноном до 15 атм. 26. Исследован процесс спектрального уширения фемтосекундного лазерного импульса при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) в водороде. Установлено, что уширение фемтосекундных импульсов в сжатом водороде определяется процессами фазовой модуляции при изменении показателя преломления в течении лазерного импульса. 27. Показано что по технологии отжига тонких слоев фторуглеродного масла излучением мощного KrF-лазера можно синтезировать C:F нанопокрытия с толщинами до ~100 нм не только на титане, но и на лейкосапфире. Механические и оптические свойства этих покрытий близки к фторографену. Измерение твердости методом Роквелла 5-слойных образцов показало сопоставимое качество многослойного образца из самосвязанного SiC, спеченного с помощью лазерного нагрева с образцом такой же толщины, но полученным при спекании в печи классическим способом и за большее время. 28. Подготовлена исходная документация на разработку и изготовление для биомедицинских применений экспериментальных образцов устройств локального воздействия светодиодного излучения на биоткани. 29. Продемонстрировано первое применение Cr:CdSe лазера для высокочувствительной многокомпонентной внутрирезонаторной спектроскопии поглощения в области λ = 3,1–3,4 мкм. 30. В лазере на ионах Ce3+ в селенидном стекле на длине волны генерации 5.25 мкм достигнута выходная энергия 45 мДж при дифференциальной эффективности 25%. 31. В лазере на кристалле Cr:ZnSe реализован режим пассивной синхронизации мод с использованием углеродных нанотрубок. 32. В фотонном микроволновом генераторе, излучающем гребенку частот в диапазоне (1-10) ГГц, спектральная плотность мощности фазовых шумов при отстройках от несущей менее 100 Гц снижена на 20-30 дБн/Гц по сравнению с лучшими электронными и оптоэлектронными генераторами. 33. Разработан лабораторный макет микроволнового стандарта частоты на основе эффекта КПН с импульсной накачкой, работающий по методу Рэмси. 34. Проведено сравнение эффективности схем увеличения контраста КПН-резонанса (подавления оптической накачки на крайний магнитный подуровень основного состояния). Показано, что для миниатюрных стандартов (и ячеек), работающих с одним лазером, наиболее эффективна схема σ+ - σ-. 35. Выполнены расчетно-теоретические исследования эволюции свойств материалов и металлических сплавов при нестационарном лазерном воздействии, а также при ударном лазерном упрочнении поверхности. 36. Развиты модели теплопереноса в диатермических образцах в экспериментах типа лазерная вспышка и получены оценки для диатермического коэффициента теплопереноса в зависимости от коэффициента серости и коэффициента поглощения. 37. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования механизмов фотофизических процессов в одиночных квантовых излучателях и их ансамблях. 38. Разработаны методы синтеза новых наноматериалов для различных приложений в фотонике и сенсорике. 39. Реализованы мероприятия, направленные на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных кадров, формирование эффективных жизнеспособных научных коллективов. За отчетный период подготовлено и опубликовано 79 публикаций в высокорейтинговых журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus и РИНЦ, а также 72 публикации в сборниках материалов международных и российских конференций, 1 монография, 4 диссертации на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук; получен 1 патент и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.