2. Фундаментальные проблемы физики лазерных, плазменных, электромагнитных и оптоэлектронных процессов для развития фотоники, лазерного термоядерного синтеза, ускорения заряженных части, информационных и биомедицинских технологий

Объект исследования – лазеры широкого спектрального диапазона на основе различных активных сред (газовые, твердотельные, на красителях, полупроводниковые), работающие как в непрерывном режиме, так и в режиме ультракоротких (фемтосекундных) импульсов; новые микроструктурные материалы, полученные с помощью лазерного излучения; лазерная плазма и лазерно-ускоренные электроны и ионы; жидкие кристаллы и устройства на их основе; различные объекты нанофотоники Цель работы: исследование пространственной структуры терагерцового излучения, генерируемого в плазме одноцветного филамента; разработка методик применения рентгеновского излучения для решения ряда актуальных задач в медицине и материаловедении; изучение взаимодействия лазерного излучения с веществом и процессов в лазерно-плазменной физике высоких энергий для создания и инерциального удержания высокотемпературной плазмы. решения проблем управляемого термоядерного синтеза; исследование методов синтезирования и применения волноводных голографических оптических элементов для дисплейных систем дополненной и комбинированной реальности; развитие физико-химических основ материаловедения жидких кристаллов и создание на этой основе электрооптических модуляторов субмегагерцового диапазона; изучение механизмов взаимодействия электроактивных излучений/эффектов и наноматериалов с живыми системами на клеточном уровне с целью выявления и развития перспективных направлений биомедицины; проведение комплекса теоретических исследований по фундаментальным аспектам электродинамики, физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, квантовой оптике и квантовой криптографии, нанофотоники и наноплазмоники, имеющих целью развитие прикладных технологий; исследования пространственного распределения интенсивности эмиссии рентгеновского излучения электроразрядной плазмы с помощью кодирующей апертуры; Методология проведения работы: в рамках выполнения данной тематики Государственного задания проводились как экспериментальные, так и расчетно-теоретические исследования, с использованием аналитических и численных методов. Результаты: - c использованием численной модели поуровневой колебательной кинетики молекул СО выполнен анализ экспериментально измеренных сигналов люминесценции колебательно-возбужденных молекул и определена константа скорости релаксации первого колебательного уровня молекул СО при их столкновениях с молекулами воды; - разработаны жидкокристаллические электрооптические модуляторы излучения среднего ИК-диапазона, позволяющие при световой апертуре до 2.5 см2 управлять состоянием поляризации излучения СО лазера в диапазоне длин волн от 5.1 до 5.6 мкм; - проведены экспериментальные исследования динамики генерации в NH3-лазере при возбуждении его активной среды излучением СО2-лазера, работающего на длинах волн переходов 9R(16) и 9R(30), при которых происходила генерация NH3-лазера на наибольшем числе линий в терагерцовом диапазоне; - исследована эффективность кристаллов AgGaS2, BaGa4Se7 и HgGa2S4 в генераторе разностной частоты среднего ИК-диапазона на основе фемтосекундного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1.03 мкм; - осуществлена нелинейная компрессия УФ наносекундных импульсов в пикосекундный диапазон длительностей, представляющая интерес для: (а) реализации лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) с ударным зажиганием; (б) генерации ударных волн в веществе; (в) создания слабоионизованных каналов в атмосфере для управления траекторией высоковольтных атмосферных молниевых разрядов; - исследован двумерный режим взаимодействия 100-нс импульсов 248 нм УФ излучения с энергией до 100 Дж и интенсивностью I ≤ 5‧1012 Вт/см2 с плоскими мишенями и фольгами; -визуализированы периодические структуры материальной модификации, отражающие его полевую и плазменную динамику при распространении жесткофокусированных фемтосекундных лазерных импульсов в плавленом кварце в режиме микромасштабной филаментации; - разработаны и апробированы методы придания кремнию ИК-поглощения в результате (ультра)короткоимпульсного лазерного воздействия. - получены двумерные угловые распределения терагерцового излучения на различных частотах из плазмы одноцветного филамента при различных экспериментальных условиях; - показано, что структура направленности излучения на каждой из терагерцовых частот слабо зависит от числовой апертуры и энергии лазерного импульса; - повышение энергии лазерного импульса, включая режим множественной филаментации, приводит к увеличению энергии генерируемого терагерцового излучения; - экспериментально наблюдена О-образная структура на длинах волн 930–960 нм в частотно-угловом спектре суперконтинуума, сгенерированного при филаментации фемтосекундного лазерного импульса с центральной длиной волны 740 нм на 75-метровой трассе в воздухе; - в рамках проекта создания комптоновского источника гамма-квантов разработаны методы и программы расчёта для учёта влияния нелинейных фотон-электронных рассеяний на выходные параметры рабочего излучения источника; - предложена новая концепция компактного, относительно недорогого университетского комптоновского источника в качестве универсальной установки для широкого класса экспериментов с пикосекундными рентгеновскими, электронными и лазерными пучками; - методы рентгеновского флуоресцентного микроанализа были применены для составления карт ключевых химических элементов в мышечных тканях лабораторных животных с дифференциацией по уровню потребления натрия для поиска побочных эффектов, связанных с повышенным потреблением соли; - разработаны методики для визуализации малоконтрастных (фазовых) объектов методом рентгеновской фазовоконтрастной микротомографии и безлинзовой микроскопии в когерентном излучении; - наряду с модами Лагерра–Гаусса высших порядков, в областях вырождения резонатора лазера было получено семейство геометрических мод, их частотный спектр проиллюстрирован численными расчетами; -показана возможность создания твердотельного лазера - источника ультракоротких световых импульсов с мультигигагерцовой частотой следования и хаотическим распределением амплитуды, синхронизованных с внешним сигналом; - предложен механизм, позволяющий форсировать режим установления синхронизации мод по механизму керровской линзы в твердотельных лазерах; - показано, что эволюция электрической площади ультракороткого электромагнитногоимпульса с ненулевой электрической площадью существенно различается для проводящих и непроводящих сред; - численные расчеты, основанные на решении уравнения Гельмгольца, показали, что исследуемые резонансные структуры, изготовленные из последовательности легированных и нелегированных слоев полупроводников в ENZ (epsilon-near-zero) области, могут обеспечить поглощение до 50% энергии падающего ТГц излучения при углах падения до 60 градусов; - предсказано существенное увеличение интенсивности излучения сверхизлучающего светодиода за счет флюктуаций населенностей активной среды; - в рамках развития нового вероятностного представления квантовой механики получено вероятностное представление алгебры Ли su(2), в котором операторы проекции спина 1/2 Sx, Sy, Sz на три оси x, y, z и матрицы Паули выражаются через вероятности; - в рамках квантовой модели Раби теоретически исследовано излучение и поглощение фотонов в условиях ультра сильной связи атома с электромагнитным полем. - показано снижение порога абляции пористой кремниевой мишени при облучении ультракороткими лазерными импульсами ИК-диапазона с ростом пористости и определены размеры пор для наиболее эффективной абляции материала; - построена модель фотогипертермии для водной суспензии наночастиц нитрида титана при облучении непрерывным лазерным излучением, учитывающая оптические и фототермические эффекты: рассеяние, поглощение и теплообмен в воде; - обнаруженна сильная (до 3.5 крат) зависимость коэффициента ДФП в кристалле Ca3(VO4)2 при изменении на 45о угла между направлением вектора поляризации излучения и оптической с-осью кристалла; - впервые выполнены теоретические исследований многоволнового резонатора на основе лазерной полупроводниковой гетероструктуры, содержащей дифракционную решетку, и создана методика расчета мод и пороговых условий для них при различных параметрах резонатора; - предложен концепт нового типа поверхностно излучающего полупроводникового лазера на основе эффекта сверхизлучения, это позволяет решить проблему катастрофического разрушения граней сверхизлучающих полупроводниковых гетероструктур; - рассмотрено влияние фотонного кристалла на режим синхронизации мод в лазере, помещение фотонного кристалла в резонатор лазера с активной/пассивной синхронизацией мод приводит к генерации более мощных и коротких импульсов; - проведено исследование по моделированию и экспериментальной записи большеразмерных голографических волноводных перископов для HUD (Head-Up-Display) дисплеев и индикаторов на лобовом стекле; - создан макет ИЛС с угловым полем до 25°, большим выходным зрачоком (до 250×300 мм.), вынос зрачка может достигать 900мм, при этом использовалась некогерентная проекционная система для спектрального диапазона 510–540 нм; - показано, что использование разработанной кодирующей апертуры не только на 3 порядка увеличивает светосилу системы регистрации по сравнению с камерой-обскурой диаметром 30 мкм, но и позволяет обеспечить пространственное разрешение по плазме разряда не хуже, чем разрешение такой камеры-обскуры; - для измерения зарядового состава и энергетических характеристик ионного потока из плазмы был разработан, изготовлен и откалиброван масс-спектрометр Томсона; - запущен оптический квантовый генератор с выходным трубчатым потоком лазерного излучения, получено интегральное изображение профиля распределения интенсивности излучения в поперечном сечении пучка; - получены спектры излучения лазерной плазмы вольфрама, тантала, меди и серы в мягком рентгеновском спектральном диапазоне, выполнена нормировка этих спектров с учётом абсолютной чувствительности спектрографа, определены наиболее эффективно излучающие вещества в водяном и карбоном окнах; - на основе трехмерного численного моделирования ускорения электронов короткими лазерными импульсами показана возможность получения пучков электронов с рекордными зарядами; - оценены перспективы использования таких пучков для получения источников вторичного гамма-излучения и терагерцовых импульсов, инициирования ядерных реакций; - показана возможность увеличения заряда пучка электронов, ускоренных в режиме релятивистского самозахвата лазерного импульса, за счет укорочения длительности лазерного импульса до нескольких периодов; -показано, что когерентное переходное излучение ускоренных коротким мощным лазерным импульсом пучков электронов высоких энергий позволяет получать мощные терагерцовые импульсы с высокой эффективностью; - впервые обосновано применение метода ударно-волнового зажигания для мишени ЛТС непрямого облучения импульсом рентгеновского излучения с повышенной мощностью его заключительной части; - предложен тип мишени ЛТС с составным аблятором, содержащим внешний слой микро-размерного пористого вещества, способной при прямом облучении лазерным импульсом обеспечить увеличение термоядерного выхода более чем на порядок по сравнению с традиционной мишенью с моно-аблятором твёрдого вещества; - обоснована высокая эффективность использования пористого поглотителя излучения наносекундного лазерного импульса для генерации ударной волны применительно к исследованию уравнения состояния вещества и лазерного ускорения заряженных частиц; - обнаружены самосогласованные эффекты рефракционной самофокусировки лазерного пучка и каналирования волны ионизации в центральной приосевой области плазмы; -обоснована возможность использования магнитных полей, лазерно-индуцированных в квази-цилиндрической внутренней полости мишени, для эффективной коллимации образующихся потоков быстрых заряженных частиц; - показано, что при перезамыкании сильного лазерно-индуцированного магнитного поля с амплитудой около килотеслы в квази-цилиндрической полости мишени наблюдается близкая к квадратичной зависимость максимальной энергии ускоренных ионов от отношения заряда к массе; - разработаны методы и программное обеспечение для диагностики новообразований на основе обработки спектров фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света, исследована бактерицидная активность наночастиц металлов в наногелях; - разработан лазерно-аппликационный способ нанесения наночастиц для широкого спектра бактерий для борьбы с раневыми инфекциями; - разработана и апробирована методика формирования антибактериальных электроактивных фоточувствительных наноматериалов; - определены оптимальные режимы инактивации бактерий лазерным излучением среднего инфракрасного диапазона; За отчетный период подготовлено и опубликовано 98 публикаций в высокорейтинговых рецензируемых журналах, индексируемых в Белом списке и списке ВАК, отдельные результаты вошли в 3 монографии, получено 2 патента и поданы 2 заявки на изобретения.