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 методов синтеза структурированных световых полей, развитие методов оптического и оптотермического манипулирования, 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. Найдены явные аналитические формулы, показывающие распространение световых полей в виде произведения Бессель-Гауссовых пучков, а также обобщённых смещённых пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса в зоне Френеля. 2. Получено аналитическое выражение функции взаимной интенсивности светового поля, заданного в виде разложения по модам Эрмита-Лагерра-Гаусса, при прохождении астигматического конвертора. 3. Предложен новый способ формирования фазовых элементов для реализации световых полей (оптических ловушек) в виде заданного количества точечных пятен либо отрезков, расположенных определенным образом. Метод основан на разделении рабочей области модулятора на участки заданной формы, в каждом из которых задается фазовая функция, соответствующая простым оптическим элементам. 4. Разработаны новые теоретические методики кристаллохимического анализа и дизайна кристаллических координационных полимеров, а также синтетические методики получения новых кристаллических координационных полимеров с ароматическими гидроксикарбоновыми кислотами. 5. Теоретически спрогнозирована и экспериментально подтверждена ионная проводимость в кристаллах пяти металл-органических координационных полимеров 4,5,6-тригидроксиизофталевой кислоты. 6. Предложен метод, позволяющий с помощью слабой оптической инжекции значительно улучшить качество пучка широкоапертурного VCSEL. В лазере с запаздывающей оптоэлектронной обратной связью обнаружены условия и оценена вероятность появления экстремальных и сверх экстремальных оптических импульсов. Предложен способ их возбуждения в выбранный момент времени. 7. Выполнен комплекс теоретических исследований в области корональной магнитогазодинамической сейсмологии. Предложен метод, позволяющий аналитически описать форму и параметры стационарных газодинамических структур и ударных волн, формирующихся в тепловыделяющей среде с изоэнтропической неустойчивостью. 8. Показано, что модифицированная трубочная скорость в тепловыделяющей среде может значительно отличаться от обыкновенной трубочной скорости в идеальной плазме, что необходимо учитывать в корональной сейсмологии, в том числе для избежания значительных ошибок при определении параметров плазмы по наблюдаемым МГД волнам. 9. Показано существование коллективного радиально однородного возмущения плотности, сопровождающего нелинейные крутильные альфвеновские волны, который можно рассматривать как дополнительный наблюдательный признак альфвеновских волн в верхних слоях солнечной атмосферы. 10. Произведен учет совместного влияние гравитации и теплового дисбаланса на акустико-гравитационные волны в неизотермической солнечной атмосфере. Рассчитаны стационарные высотные профили температуры, давления и плотности в случае нагрева солнечной короны, заданного в виде степенных функций температуры и плотности, определена акустическая частота отсечки. 11. Впервые показано, что низколежащее электронное состояние A иона SiO+при оптическом охлаждении ускоряет релаксацию колебательных уровней его основного состояния, а высокое вращательное возбуждение ускоряет реакцию катионов SiO+ с молекулами водорода за счет совпадения движения системы вдоль координаты реакции в области переходного состояния с вращением катиона SiO+, т.е. является динамическим эффектом. 12. Измерены температурные зависимости констант скорости тушения р-состояний метастабильного аргона Ar* в столкновениях с Не. 13. В рамках расширенной гидродинамической модели тлеющего разряда показано, что с ростом концентрации воды (кислорода) от 0 до 60 мторр (240 мторр) квазистационарная концентрация метастабильных атомов экспоненциально падает от 51013 см-3 до 51012 см 3. 14. С помощью квантово-размерного лазера HL8338MG (Hitachi), снабженного тандемным внешним отражателем, продемонстрированы непрерывная перестройка оптической частоты в диапазоне 100 ГГц и дискретная перестройка длины волны в интервале 12.3 нм, при средней выходной мощности ~ 20 мВт. 15. С помощью ab initio расчётов и экспериментов раскрыт механизм образования сложных четырехкольцевых ПАУ в реакции C9H7 + C9H7, подтверждено формирование нафталина (C10H8, X1Ag) в реакции фенилэтинильного радикала (C8H5, X2A1) с этиленом (C2H4, X1A1g), обнаружено, что радикал C8H5 безбарьерно присоединяется к С1 углероду алленовых и метилацетиленовых реагентов, образуя столкновительные комплексы C11H9 с временем жизни, превышающим периоды их вращения, которые затем подвергаются мономолекулярному распаду за счет отрыва атомарного водорода. 16. Впервые исследовано влияние лазерной ударной обработки на структуру и напряженное состояние алюминиевых сплавов АМг6 и Д16 в зависимости от исходного состояния сплава, толщины образцов и параметров лазерной обработки. Зафиксировано появление остаточных напряжений сжатия величиной до 300 МПа на глубине до 1,5-2 мм. Определены профили остаточных напряжений и характеристики кристаллической структуры по глубине зоны обработки. Установлена корреляция плотности дислокаций с величиной остаточных напряжений. 17. Выполнены исследования износных характеристик многокомпонентных сплавов на основе железа и алюминиевых сплавов после упрочняющей лазерной обработки, установлено, что износостойкость материала определяется схемой нагружения и режимами лазерной обработки и возрастает от 20 % до 50 раз. 18. Впервые показано, что взаимодействие коллоида золотых наночастиц, полученных методом импульсной лазерной абляции в ТГФ, с излучением 266 нм приводит к изменению спектральной характеристики в УФ области спектра. Показано, что формирование электрического разряда в чистых органических растворителях и в составе коллоидов золотых нано-частиц приводит к формированию фрагментов углеродных наночастиц.Разработаны полупроводниковые дисковые лазеры на гетероструктурах, выращенных в России, импульсно излучающие на длинах волн 780 и 1060 нм, с характеристиками, не уступающими зарубежным аналогам. 19. Разработаны полупроводниковые дисковые лазеры на гетероструктурах, выращенных в России, импульсно излучающие на длинах волн 780 и 1060 нм, с характеристиками, не уступающими зарубежным аналогам. 20. Впервые реализованы полупроводниковые дисковый лазер (ПДЛ) и лазер с микрорезонатором, излучающие в сине-зеленом диапазоне при продольной накачке синим лазерным диодом на оригинальной гетероструктуре CdS/ZnSe/ZnSSe, выращенной в лаборатории. Получена генерация мощностью в несколько ватт с эффективностью до 10 % с использованием гетероструктуры с разрывами зон второго типа, что позволяет расширить выбор материалов для такого типа лазеров. 21. На примере экспериментов с полупроводниковым дисковым лазером на основе гетероструктуры InGaP/AlGaInP с внутриямной накачкой излучением импульсного лазера на красителе Родамин 6G продемонстрирована возможность существенного увеличения импульсной мощности лазера по сравнению с ПДЛ, накачиваемых в барьерные слои, за счет увеличения объема импульсного нагрева и уменьшения квантового дефекта. Выполненные оценки показывают, то в данном типе лазеров возможно достижение энергии в импульсе до нескольких мДж. 22. 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 портативных устройств для обеззараживания воды, воздуха, материалов и продуктов питания, в медицине, криминалистике, биологии, фотолитографии. 23. Изучены катодолюминесценция, фотопропускание и топография поверхности нано-гетероструктур GaN/AlN, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на различных подложках, при различных температурах и соотношениях Ga(Al)/N, с различным числом квантовых ям и толщин слоев. 24. Предложены и частично апробированы способы улучшения достигнутых ранее параметров метанового фотонного микроволнового генератора диапазона (1–10) ГГц: 1) нестабильности частоты до (3–5)·10-15 (τ = 1 с); 2) спектральной плотности фазовых шумов ниже 160 дБн/Гц (на 1 ГГц) в области отстроек от несущей более 10 кГц. 25. Изучен сдвиг частоты двухквантового магнитного резонанса в атомах 87Rb при зондировании с помощью гармонического радиочастотного поля и с помощью гребенки радиочастот. Показано, что во втором случае обеспечивается на порядок меньшая чувствительность частоты резонанса к степени эллиптичности поляризации излучения. 26. Изучена вибрационная устойчивость двух инжекционных лазеров с внешним резонатором различных конструкций. Показано, что лазер новой конструкции с интерференционным фильтром не имеет ярко выраженных механических резонансов, в то время как конструкция лазера с дифракционной решеткой характеризуется набором резонансных частот в диапазоне 400–4000 Гц, на которых отклик на внешнее возмущение на два порядка больше, чем у лазера с интерференционным фильтром. 27. С использованием оригинальной резонансной атомной ячейки с просветленными оптическими гранями зарегистрирован внутридоплеровский резонанс в 87Rb с максимальной величиной контраста 220%, который может быть использован для создания миниатюрного оптического стандарта частоты. 28. Методами численного моделирования показана возможность использования лазера на парах меди для фототермолиза и фотодеструкции тканей, селективной фотодеструкции меланосом и микрососудистого русла внутри дермы. 29. Изучены механические и оптические свойства титановых фольг, которые длительное время проработали в электронных пушках электронно-пучковых эксимерных лазеров при облучении импульсами электронного пучка (300 кэВ) с дозами до 1 ГГр. 30. Постоянное совершенствование технологии выращивания и паровой фазы кристаллов соединений А2В6, легированных ионами переходных металлов, позволило улучшить качество активных элементов и, соответственно, характеристики лазеров среднего ИК диапазона. 31. Впервые реализована лазерная генерация в кристалле Fe:CdTe в спектральной области 4.5-6.8 мкм и достигнуты рекордные значения выходной энергии и КПД. Предложен и реализован импульсно-периодический режим работы Fe:ZnSe лазера в схеме связанных резонаторов с лазером накачки. Предложены новые пассивные фильтры для 5-микронного диапазона на основе соединений Fe:CdSe и Fe:CdTe. 32. Показано, что Cr:CdSe и Fe:ZnSe лазеры являются перспективными инструментами исследования состава атмосферы и выдыхаемого воздуха методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Показано, что твердотельный Cr:ZnSe лазер с пассивной синхронизацией мод перспективен для использования в качестве делителей оптической частоты. 33. Показано, что лазеры на селенидных стеклах, легированных ионами Ce3+, являются перспективными источниками излучения среднего ИК диапазона. Впервые реализован режим генерации гигантских импульсов в Ce3+ лазере. 34. Предложена и реализована схема сенсибилизации нового лазерного перехода среднего инфракрасного диапазона иона Nd3+, включающая безызлучательный перенос энергии от Tb3+ к Nd3+ в селенидном стекле. 35. Впервые получены фемтосекундные импульсы в Fe:ZnSe лазере. В Сr:ZnSe лазере найдены условия генерации солитонов из четырех фазовосвязанных пикосекундных импульсов. 36. Получена периодическая последовательность наносекундных импульсов с энергией до 1 мДж в Fe:ZnSe лазере при накачке Er-лазером с использованием связанных резонаторов. В непрерывном режиме накачки получена средняя мощность 63 мВт. 37. Совместно с Институтом общей физики им. А.М. Прохорова РАН впервые реализован волоконный лазер на халькогенидном стекле, легированном Се, излучающий в спектральной области вблизи 5 мкм. 38. Разработан подход, позволяющий подавить световой сдвиг частоты микроволнового перехода, не требующий применения дополнительных модуляторов интенсивности и не приводящий к увеличению габаритов и энергопотребления квантового дискриминатора малогабаритных атомных часов. 39. Развит самосогласованный подход для расчета спектров излучения диодных лазеров в режиме СВЧ-модуляции тока накачки. Численное решение системы связанных уравнений для концентрации электронов в активной среде и для амплитуд компонент поля, определяемых уравнениями Максвелла с учетом их нелинейного взаимодействия в активной области лазера, позволяет вычислить спектр лазера. 40. Теоретически и экспериментально показано, что в КПН-стандартах частоты предпочтительным является использование смеси из инертных буферных газов (Ar и Ne), поскольку такая смесь позволяет получить более контрастный опорный резонанс, что улучшает показатели стабильности частоты стандарта (девиации Аллана). 41. Предложена приближенная физико-математическая модель формирования дислокаций в упрочняемом образце после прохождения ударной волны. Разработан осесимметричный конечно-элементный код для расчета распространения ударной волны в материалах при лазерном ударном упрочнении. 42. Выполены расчеты остаточных напряжений в образце из сплава АМг6 после лазерного ударного упрочнения, получено хорошее совпадение с экспериментальными данными. 43. Предложены численные и аналитические модели отжига дислокационных петель в материалах, подвергнутых нейтронному облучению. На основании разработанных моделей проведены расчеты кинетики и функции распределения петель по размерам, которые сравнены с имеющимися литературными данными. 44. Разработана методика расчета поля упругих деформаций в окрестности протяженного дефекта на основе комбинации спектрального метода и метода конечных элементов для анизотропного тела. Проведена верификация составляющих компонент методики на аналитических решениях. 45. Развит и апробирован метод исследования фотофизических свойств микронных, субмикронных и нанометровых кристаллов перовскитов, заключающийся в построении и анализе расширенной многопараметрической кросскорреляционной функции второго порядка статистики фотонов флуоресценции. 46. Выполнены комплексные исследования алмазов с центрами окраски. Обнаружен и охарактеризован новый класс примесных центров в микроалмазах, выращенных методом высоких температур – высоких давлений, имеющих большой потенциал для различных практических применений. 47. В рамках динамической теории оптической дефазировки развит теоретический подход, позволяющий учитывать влияние т.н. резонансных колебательных мод на температурное уширение бесфононных линий примесных молекул. 48. Развита технология синтеза подложек с нанопроволоками (НП) из золота. Показано, что для золотых НП необходимо использование основы из никеля. Проведена аттестация полученных НП с золотыми сегментами на растровом электронном микроскопе. Исследованы гидрофобные ГКР-подложки на основе ZnO с золотым и серебряным покрытием. Разработан метод изготовления тонкопленочного нагревателя на основе трековых мембран с системой интегрированных серебряных нанопроволок. 49. Реализованы мероприятия, направленные на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных кадров, формирование эффективных жизнеспособных научных коллективов. За этап 2023 года подготовлено и опубликовано 2 монографии, 78 публикаций в высокорейтинговых журналах Белого списка, а также 80 публикаций в сборниках материалов международных и российских конференций.