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, работающие как в непрерывном, так и в импульсном (вплоть до фемтосекундных импульсов) режимах излучения, в широком диапазоне мощностей; лазерная плазма и лазерно-ускоренные электроны и ионы; жидкие кристаллы и оптоэлектронные устройства на их основе; различные объекты нанофотоники. Цель работы: проведение исследований в области лазерной физики, нелинейной и фемтосекундной оптики, рентгеновской оптики, нанофотоники и наноплазмоники, оптоэлектроники, изучение взаимодействия лазерного излучения с веществом и процессов в лазерно-плазменной физике высоких энергий для решения проблем управляемого термоядерного синтеза, различных аспектов информатики и биомедицины; исследования применения голографических оптических элементов в схемах виртуальных дисплеев и дисплеев дополненной реальности; развитие физико-химических основ материаловедения жидких кристаллов и создание на этой основе электрооптических модуляторов субмегагерцового диапазона; разработка физических принципов и подходов высокопроизводительных лазерных технологий фабрикации функциональных наноструктур и наноматериалов; исследования антибактериальных лазерно-индуцированных наноматериалов; разработка и апробация физических методов антибактериального действия; 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 расчетно-теоретические исследования, с использованием аналитических и численных методов в области нелинейной динамики, когерентной оптики, физики лазеров и физики плазмы. Результаты: - показано, что с помощью излучения щелевого СО-лазера возможно сверление высокоаспектных отверстий субмиллиметрового диаметра в органическом стекле; - выполнена оптимизация длины гибридного волноводно-неустойчивого резонатора отрицательной ветви диаграммы устойчивости щелевого СО лазера с ВЧ накачкой, позволившая увеличить его среднюю выходную мощность на 20-25%; - получен теоретический прогноз квантовых поправок, связанных с увеличением плотности газа, к константам скорости колебательно-поступательной (VT) релаксации в столкновениях молекул СО с атомами Не; - создана KrCl лазерная установка генерирующая импульсы УФ излучения на длине волны 222нм с длительностью 8-15 нс и энергией 210 мДж; - исследована многофотонная ионизация воздуха на длине волны 222 нм и показано, что доминирующим является двухступенчатый механизм ионизации; - в экспериментах по взаимодействию 100 нс УФ лазерных импульсов при интенсивности ~1012 Вт/см2 со структурированными низкоплотными пенными мишенями продемонстрирован взрывной характер плазмообразования; - экспериментально продемонстрирована миниатюрная ударная труба с KrF лазерным драйвером, являющаяся эффективным инструментом для изучения ряда гидродинамических явлений, таких как гидродинамические неустойчивости и переход к турбулентности, обтекание тел гиперзвуковым потоком газа, отражение и кумуляция сильных УВ с числами Маха> 10; - измерены пороги лазерно-индуцированного повреждения кристалла ZnGeP2 с просветляющим покрытием и без него для субпикосекундных 1030 нм лазерных импульсов; - реализовано ВКР чирпированных импульсов титан-сапфирового лазера в кристалле BaWO4 с эффективностью ~50% в схеме с тремя последовательно расположенными образцами кристалла; - экспериментально выполнено сравнение эффективности различных схем нелинейного преобразования УКИ в средний ИК диапазон с использованием кристаллов BaWO4, Ca3(VO4)2, GaSe, LiGaS2, Ca2.7Sr0.3(VO4)2 ; - установлены закономерности формирования контрастных изображений из вокселов модифицированного материала, периодических двулучепреломляющих наноструктур и субволновых дифракционных решеток в объеме прозрачных твердых диэлектриков в дофиламентационном режиме; - продемонстрирован антибактериальный эффект ИК-лазерного фемтосекундного излучения на биопленки; - экспериментально показано, что в чистых синтетических алмазах пороговая энергия филаментации ультракоротких лазерных импульсов с разной длиной волны зависит от поляризации лазерных импульсов; - исследованы возможности прямой лазерной записи фотолюминесцентных микро- элементов оптической памяти в алмазах и фторидах с помощью ультракоротких лазерных импульсов видимого диапазона с оцениваемой плотностью записи до 5-10 ТБ на оптический диск; - проведено комплексное исследование распространения мощного фемтосекундного лазерного импульса в режиме одиночной филаментации на протяженной (более 100 м) трассе; - продемонстрирован дистанционный (до 80 м) поджиг высоковольтного разряда с помощью пост-филаментационного канала; - показано, что с помощью амплитудной модуляции лазерного пучка можно управлять положением области высокой интенсивности на трассе; - определены числовые апертуры лазерных импульсов и энергия, необходимые для получения максимальной интенсивности лазера с хорошим качеством луча вблизи фокальной перетяжки; - показано, что во внешнем поле ТГц излучение на низких частотах (0,5–1 ТГц) имеет распределение с плоской вершиной на оси, при этом на более высоких частотах (около 10 ТГц и более) распределение меняется и становится кольцеобразным; - экспериментально показано, что угол раскрытия терагерцового конуса пропорционален обратному корню квадратному из длины плазменного канала и терагерцовой частоты в режиме нелинейной фокусировки, тогда как в случае преобладания геометрической фокусировки эта зависимость нарушается; - разработана и создана экспериментальная установка для регистрации пространственных (2D) диаграмм направленности терагерцового излучения, генерируемого в плазменном канале, образующемся при филаментации фемтосекундных лазерных импульсов; - обнаружено, что в области низких частот (0,1–0,5 ТГц) излучение распространяется в виде конуса с минимумом на оси; - экспериментально показано, что при 20-кратном превышении критической мощности самофокусировки распределение терагерцового излучения становится унимодальным; - разработаны алгоритмы и программы для решения обратной оптической фазовой задачи в схемах когерентной безлинзовой микроскопии; - определены основные рабочие параметры рентгеновского источника на основе томсоновского (обратного комптоновского) рассеяния лазерных фотонов на релятивистских электронах для энергий электронов 50 МэВ и 150 МэВ; - успешно применены разработанные методики фазово-контрастной рентгеновской микротомографии на основе когерентного синхротронного излучения для неразрушающего анализа внутренней структуры малоконтрастных биологических объектов и углеродных нанокомпозитов; - получены пучки излучения с видностью интерференционной картины в схеме Юнга менее 0,05 в лазерах на красителях и на кристаллах с неодимом. - создан стенд для комплексного исследования генерационных характеристик лазерных кристаллов с продольной накачкой; - предложено применить безлинзовый метод получения изображений с целью восстановления фазы путем измерения пространственной структуры излучения, разработан и экспериментально реализован метод виртуальной линзы для восстановления фазы изображения в ближней зоне; - разработана общая полуаналитическая теория для расчета диаграммы направленности фотоэмиссии из плазмонных наночастиц произвольной формы. - теоретически исследовано возникновение супер-тепловой статистики излучения в микро- и нанолазерах в режиме сверхизлучения, возникающемв из-за флюктуаций населенностей активной среды. Получено аналитическое выражение для автокорреляционной функции второго порядка, превышающей значение 2; - осуществлено дальнейшее развитие нового (вероятностного) представления квантовой механики, в котором квантовые системы описываются стандартными условными распределениями вероятностей, являющимися альтернативой волновых функций и матриц плотности. - исследованы особенности распространения ультракоротких электромагнитных импульсов с ненулевой электрической площадью в плазменных средах; - исследованы процессы резонансного туннелирования и поглощения ГГц сигналов, что представляет интерес для повышения эффективности болометрических детекторов излучения и проблемы реализации связи с гиперзвуковыми летательными аппаратами в плотных; - впервые созданы спиральные наноструктуры жидкокристаллических сегнетоэлектриков с шагом спирали около 100 нм; - развиты подходы физического материаловедения и физико-технологические решения по формированию монодоменных структур жидкокристаллических сегнетоэлектриков; - впервые в мире созданы термодинамически устойчивые при комнатной температуре жидкокристаллические электрооптические модуляторы суб-мегагерцового диапазона; - предложена конструкция лазера с масштабируемой апертурой и соответственно с масштабируемой выходной мощностью, выходной пучок такого лазер обладает повышенной когерентностью (временной и пространственной) по сравнению с другими мощными диодными лазерами; - продемонстрировано, что помещение фотонного кристалла, как дополнительного элемента, в резонатор лазера с активной/пассивной синхронизацией мод приводит к генерации более мощных и коротких импульсов; - проведено исследование мультипликации лучей на волноводных голографических решетках в схемах не изображающих голографических перископов для дисплейных систем дополненной и комбинированной реальности, показан новый режим мультипликации выходного зрачка на второй пространственной гармонике решеток; - разработана методика исследования изображений электроразрядной плазмы с помощью кодирующей апертуры, дающей пространственное разрешение лучше, чем обскура; - установлено, что направленность рентгеновского излучения лазерной плазмы твердотельных мишеней для нано- и пикосекундных импульсов близко к изотропному; - проведено моделирование динамики волны ионизации в He, экспериментально оценена скорость движения головки стримеров разряда в Ne. - получены спектры мягкого рентгеновского излучения при облучении молибденовой мишени фемтосекундными лазерными импульсами с энергией от 1 до 115 мДж. - для апробации способа формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией была сконструирована система питания, к которой были подключены лампы-накачки задающего генератора и проведены тестовые выстрелы; - обосновано эффективное использование метода зажигания сфокусированной ударной волной мишени ЛТС прямого облучения в условиях генерации лазерно-ускоренных быстрых электронов и мишени ЛТС при непрямом облучении лазерно-индуцированным рентгеновским импульсом; - построена теория переноса энергии в лазерной плазме пористого вещества и обосновано эффективное использование свойств такой плазмы в мишенях ЛТС и мишенях для исследования уравнения состояния вещества (УРС), а также для увеличения конверсии энергии мощного лазерного импульса в импульс мягкого рентгеновского излучения; - построена самосогласованная теория вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна рефрагирующих, пересекающихся лазерных пучков при многопучковом облучении мишени ЛТС; - обнаружено и теоретически описано явление электродинамической имплозии микроразмерной оболочки при её облучении лазерным импульсом с релятивистской интенсивностью, которое приводит к интенсивной ядерной реакции во встречных потоках ядер с энергиями масштаба 100 МэВ и формированию в центре мишени плотного горячего вещества с характерной температурой порядка сотен МэВ; - развита теория генерации сверхсильных магнитных полей, генерации быстрых электронов и терагерцового излучения при воздействии фемто- и пикосекундных лазерных импульсов релятивистской интенсивности на мишени с контролируемой микроразмерной структурой; - предложено уравнение состояния (УРС) плазмы пористого вещества в виде УРС сплошной среды; - установлены параметры лазерного пучка, обеспечивающего генерацию плоской волны ионизации в слое пористого вещества докритической плотности в широких диапазонах изменения параметров лазерного импульса и пористого вещества, соответствующих интересам практических приложений; - оценены перспективы использования пучков электронов с рекордными зарядами и протонов с субгигоэлектронвольтными энергиям для получения источников вторичного гамма-излучения и терагерцовых импульсов, инициирования ядерных реакций. - продемонстрирована возможность применения лазерного импульса длительностью 25 фс установки XCELS (мощностью 10 – 15 ПВт) для получения рекордных энергий ускоренных протонов; За отчетный период подготовлено и опубликовано 144 публикации в высокорейтинговых рецензируемых журналах, индексируемых в Белом списке и списке ВАК, отдельные результаты вошли в 2 монографии. На основе результатов, полученных за весь срок НИР, оформлено 11 патентов РФ и защищено 12 диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук