Фундаментальная и прикладная фотоника, лазерная физика, квантовая и нелинейная оптика, оптика и спектроскопия атомно-молекулярных систем, микро- и наноструктур, конденсированных сред и композитных материалов

Цель проекта – проведение передовых исследований в области фундаментальной и прикладной фотоники, физической, квантовой и нелинейной оптики, квантовой информации и криптографии, оптики и спектроскопии наноразмерных и субмикронных структур, молекулярной спектроскопии, физики атомно-молекулярных систем, фото- и электролюминесценции новых материалов, рентгеновской и ВУФ-спектроскопии, кинетики и диагностики плазмы. Решаемые задачи – В проекте проведены комплексные исследования процессов взаимодействия электромагнитного излучения с различными структурами и материалами, включая пьезо- и сегнетоэлектрические кристаллы, субмикронные и наноразмерные неоднородные системы. Экспериментально исследованы как неупорядоченные (суспензии, порошки, керамики, гели белков и полисахаридов, некоторые пищевые продукты.), так и упорядоченные (синтетические опаловые матрицы) системы. В частности, решалась задача генерации широкополосного электромагнитного излучения при возбуждении трехмерных фотонных кристаллов электронным пучком с целью их использования в качестве детекторов пучков заряженных частиц. Выполнены экспериментальные исследования по изучению многочастотных процессов вынужденного рассеяния (ВР) света различного типа, многофотонно возбуждаемой люминесценции и триболюминесценции, возбуждаемой в микро и наноструктурированных системах. Проведен поиск перспективных и усовершенствование имеющихся люминесцентных материалов для их применения при создании нанофотонных и светоизлучающих устройств и сцинтилляционных детекторов излучений. С использованием метода сканирующей лазерной флуоресцентной конфокальной микроскопии исследовались оптические свойства нано- и микрорезонансных структур с внедренными микро- и наночастицами флуоресцентных алмазов. Изучались поляризационные свойства собственной и активаторной импульсной катодолюминесценции и фотолюминесценции широкозонных оксидов, а также спектрально-люминесцентные свойства нового органического красителя и новых смешано-металлических координационных соединений ионов Eu3+ и Tb3+. Проведен теоретический анализ радиационных процессов, происходящих с участием металлоорганических наночастиц, а также столкновительных процессов с участием различных атомарных ионов с зарядами q = 0-4 и молекулярных ионов инертных газов. В частности, выполнены квантовомеханические расчеты электронных термов, дипольных моментов переходов и спектров поглощения света слабосвязанными ионами HeXe+ и NeXe+, а также эффективных сечений и констант скоростей процессов разрушения умеренносвязанных ионов ArXe+ и KrXe+ электронным ударом. К числу решаемых в проекте актуальных теоретических проблем квантовой оптики относятся задачи управления квантовыми состояниями света, ориентированные на применения однофотонных и слабых когерентных состояний в квантовой коммуникации. Решаются задачи нелокального управления однофотонными состояниями света с помощью ресурсов квантовой запутанности. Практическая важная задача состояла в создании квантоворазмерных систем на основе различных материалов для их использования в качестве источников одиночных фотонов и применения в качестве эмиттеров в напечатанных 3D-структурах. Продолжена разработка спектральных приборов для их использования в вакуумно-ультрафиолетовом (ВУФ) и рентгеновском диапазонах спектра. На отчетном этапе экспериментально решена задача построения стигматических спектральных изображений высокого разрешения в диапазоне длин волн   110 Å. Решались также прикладные задачи по разработке пульсоксиметра на основе двойного смешаннолигандного комплекса Eu0.05Yb0.95(dbm)3Bphen и датчика оптической регистрации открытого пламени на основе фотодетекторов из полупроводниковых нанокристаллов PbS, чувствительных в диапазоне 1–1.5 мкм. Методология проведения работы – в ходе выполнения задач проекта использовался широкий арсенал современных экспериментальных и теоретических методов оптики и спектроскопии, физики конденсированного состояния и микроструктур, атомно-молекулярных и наноразмерных систем, упорядоченных и неупорядоченных структур, квантовой динамики, физической кинетики и спектроскопической диагностики плазмы. Экспериментальные и теоретические методы и подходы, использованные в ходе выполнения Государственного задания, были дополнены эффективными методами компьютерного моделирования исследуемых в проекте систем и происходящих в них физических процессов, в том числе и оригинальными методами и алгоритмами, разработанными в коллективе участников проекта. В ходе выполнения работы получены следующие результаты 1. Выполнены измерения гидродинамических радиусов наночастиц карбида кремния (rp ≈ 4 нм) и кварца (rp ≈ 7 нм) методом ДРС и полной интенсивности рассеяния во взвесях наночастиц в воде. 2. Показана универсальность зависимости размеров капель спиртовой эмульсии сливочного масла и спреда с добавкой 2% воды от содержания пальмового масла в диапазоне доли пальмовых масел 0 – 65%. Указан способ определения доли пальмового масла во всём диапазоне долей пальмовых масел. 3. Показана возможность разработки способа и создания устройства для быстрого определения сырого и пастеризованного молока без специальной пробоподготовки. 4. Исследованы процессы ВКР при возбуждении поликристаллов нитратов калия, натрия и стронция, а также твёрдой поликристаллической смеси LiOH, LiOD, LiOH⋅H2O и Li2CO3 на поверхности кристалла LiD пикосекундным лазерным излучением λ=355 и 532 нм. 5. В спектрах КР монокристаллов LiNbO3:Tb, LiTaO3:Cr, LiNbO3:Gd:Mg и LiNbO3:Cu:Gd при возбуждении светом с длинами волн λ = 785 и 532 нм впервые обнаружено несколько слабых линий второго порядка в диапазоне 1000-2000 см-1. 6. Показано, что при образовании фибринового геля в присутствии тромбина наночастицы оксида железа при рН 7.5 выступают активаторами тромбина, а наночастицы оксида алюминия, напротив, ингибиторами. 7. Обнаружено аномально высокое (более, чем на порядок) увеличение интенсивности ВКР в жидкостях при пикосекундном возбуждении и при включении ультразвукового воздействия на среду. 8. Обнаружен плазмонный резонанс при оптическом пробое воды, приводящий к появлению аномально усиленной низкочастотной линии ВКР света на частоте ≈ 700 см-1, значительно превосходящая по интенсивности излучение ВКР света на частоте ≈ 3410 см-1 валентного О-Н колебания молекул воды. 9. Исследования трехмерных фотонных кристаллов для генерации широкополосного электромагнитного излучения при возбуждении электронным пучком продемонстрировали возможность использования таких структур в качестве детекторов пучков заряженных частиц. 10. На примере синтетической опаловой матрицы реализован метод лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии для идентификации малых количеств примесей в трехмерной упорядоченной субмикронной диэлектрической структуре. 11. Исследована динамика прохождения релятивистских пучков ионов Ba, W, Bi, U через фольги тяжёлых элементов при энергиях, E, налетающих ионов в диапазоне от 200 MэВ/н до 200 ГэВ/н. 12. Проведены расчёты сечений процессов перезарядки и ионизации для широкого набора ионов (Sr, Cs, Ba, Nd, Hf, W, U и Rf) с зарядами q = 0-4 при столкновениях с атомами гелия. Определены зарядовые фракции и средние заряды ионных пучков при энергиях Е ~ 0,2 – 100 кэВ/н. 13. Впервые решена задача об аномальном поведении сечений перезарядки при сверхмалых энергиях, когда экспериментальные данные сечений с большим зарядом оказываются меньше сечений с меньшим зарядом. 14. Выполнен расчёт сечений перезарядки и времён жизни ядер Bi83+ в ускорителе при энергиях 1 – 10 ГэВ/н для проекта NICA (Дубна). 15. Проведены численные расчёты сечений многоэлектронной ионизации атомов Не, Ne и Ar многозарядными ионами Li3+, C6+, Fe21+ и Fe26+ в области энергий ионов Е ~ 1 МэВ/н – 1 ГэВ/н. 16. Впервые выполнены высокоточные квантовомеханические расчеты электронных термов, дипольных моментов переходов и спектров поглощения света слабосвязанными молекулярными ионами HeXe+ и NeXe+. 17. Выполнено теоретическое исследование процессов разрушения гетероядерных катионов ArXe+ и KrXe+ электронным ударом, происходящих вследствие перехода системы на перезарядочные состояния. Впервые продемонстрирован существенный вклад данных процессов в динамику заселения рабочих уровней в газоразрядных источниках УФ излучения. 18. Впервые продемонстрировано, что учет оптической анизотропии органической оболочки из молекулярного J-агрегата позволяет дать количественное описание экспериментальных спектров ряда систем, которые не могут быть описаны в рамках традиционной модели изотропной оболочки. 19. Предложен новый способ эффективного управления оптическими свойствами металлоорганических наноструктур путем подбора материала прокладки в системах металл/прокладка/J-агрегат. 20. Предложен спектроскопический способ определения ориентации молекулярных агрегатов в оболочках металлоорганических наноструктур. 21. Обнаружен новый нелинейно-оптический эффект, заключающийся в резком повышении эффективности вторичного излучения в суспензии активных частиц вследствие образования плотно упакованных структур на границе раздела фаз. 22. Экспериментально получены импульсы ВКР в порошке POPOP со степенью сжатия ~3. Показано, что понижение температуры образца ведет к увеличению длительности импульса ВКР. 23. Установлено, что режим обращения волнового фронта, реализованный экспериментально в процессе внутрирезонаторного ВНКР, существенно улучшает пространственное распределение получаемого излучения. 24. Разработаны теоретические и экспериментальные методы многомерного кодирования и декодирования информации в слабых фазово-рандомизированных когерентных состояниях света и оценки степени фазовой рандомизации в полупроводниковом лазере с переключаемым коэффициентом усиления. 25. Разработан метод оценки вклада квантового шума в интерференционный сигнал при наличии фазовых корреляций между последовательными импульсами. 26. Создана широкая линейка компактных и универсальных спектральных приборов для диагностики источников излучения в сверхшироком диапазоне спектра – от жесткого рентгеновского до видимого (диапазон длин волн 0,1 – 800 нм). 27. Экспериментально решена задача построения стигматических спектральных изображений (спектров с пространственным разрешением) высокого разрешения в диапазоне длин волн   110 Å. 28. Для расчета параметров электронной компоненты плазмы в нелокальном приближении разработана программа, использующая технику Монте Карло. С ее помощью выполнены расчеты пространственного профиля концентрации электронов ne в промежутке катод – анод в разряде, поддерживаемым полым катодом в гелии. 29. Проведен анализ поляризационных свойств собственной и активаторной импульсной катодолюминесценции и фотолюминесценции широкозонных оксидов. 30. Впервые обнаружено излучение кислородных вакансий в кристалле и керамике Lu2SiO5 без активровирующих примесей. 31. Путем прямого эксперимента показано существование и предложен механизм передачи энергии от электронных возбуждений в монокристаллическом α-кварце молекулам азота окружающего газа. 32. Впервые обнаружено, что в начальной стадии сильноточного разряда по поверхности феррита формируется короткий (< 2 нс), узконаправленный импульс электромагнитного излучения, 50% энергетического спектра которого лежит в области достаточно жесткого рентгеновского излучения (hν >1 кэВ) с энергией ∼ 0,6 мДж и средней мощностью – 0,3 МВт. 33. Методом сканирующей лазерной флуоресцентной конфокальной микроскопии изучены оптические характеристики нано- и микрорезонансных структур с внедренными микро- и наночастицами флуоресцентных алмазов. 34. Предложена патч-наноантенна на основе наночастиц, помещенных в «наноямки», демонстрирующая резонансы типа Фано с достижением высокой добротности (вплоть до 100) и субволнового ограничения ближнего поля. 35. Достигнуто увеличение яркости органических светоизлучающих диодов в 1.5-2 раза путем образования разнолигандного комплекса с двумя разнородными анионными лигандами, приводящего к понижению симметрии координационного окружения и уменьшению времени жизни возбужденного состояния на ~50%. 36. Создан протопит пульсоксиметра на основе двойного смешаннолигандного комплекса Eu0.05Yb0.95(dbm)3Bphen, излучающего как в видимом, так и в ближнем ИК-диапазоне. 37. Предложен подход, повышающий скорость высвечивания церата сурьмы Sr2CeO4, легированного катионными примесями и обладающего рекордным показателем интенсивности катодолюминесценции для приложений персональной дозиметрии. 38. Создан прототип датчика оптической регистрации открытого пламени на основе фотодетекторов из полупроводниковых нанокристаллов PbS, чувствительных в диапазоне 1–1.5 мкм. 39. Изучены спектрально-люминесцентные свойства серии комплексов состава [Eu(acac)3(H2O)2], [Eu(tfaa)3(diox)] и [Eu(hfaa)3(diox)]. Показано, что увеличение степени фторирования лиганда приводит к одновременному понижению энергий синглетного и триплетного уровней (S1 и T1 соответственно). 40. Изучены люминесцентные свойства новых смешано-металлических координационных соединений ионов Eu3+ и Tb3+ с разным процентным содержанием ионов (1, 2.5, 5, 7.5, 10% Eu3+) общего состава [EuxTb1-x(L)3(EtOH)2], где HL – 1-(1,5-диметил-1H-пиразол-4-ил)-4,4,4-трифторбутан-1,3-дион. Показано, что отношение интегральных интенсивностей полос излучения в области 535-555 нм с 680-720 нм позволяет однозначно измерить температуру окружающей среды с погрешностью в среднем 0.4 К в диапазоне 160-320 К. 41. Показано преимущество использования сверточной нейронной сети для анализа данных люминесцентной термометрии по сравнению с обычно применяемыми методами и алгоритмами. 42. Изучены спектрально-люминесцентные свойства нового органического красителя -1,3-бис(4-(10H-фенотиазин-10-ил)фенил)пропан-1,3-диона. Показано, что для данного красителя, в зависимости от внешних условий, может преобладать флуоресценция, фосфоресценция или термически активируемая задержанная флуоресценция (TADF). 43. Показано, что в составе однослойного ОСИД-устройства 1,3-бис(4-(10H-фенотиазин-10-ил)фенил)пропан-1,3-дион может быть использован как эффективный эмиссионный электролюминесцентный слой. За отчетный период подготовлено 87 статей в высокорейтинговых рецензируемых журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus или РИНЦ, 74 доклада на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах.