3. Физика волновых и лазерно-индуцированных процессов, квантовых состояний и неравновесных систем: фундаментальные и прикладные аспекты квантовых технологий, биофотоники, прецизионной интерференционной и компьютерной оптики, синтеза новых функциональных материалов, создания источников излучения и фотонных устройств нового поколения

Цель проекта – получение новых фундаментальных знаний о механизмах и закономерностях волновых и лазерно-индуцированных процессов, квантовых состояний и неравновесных систем для разработки на их основе новых технологий квантовой оптики и электроники, биофотоники, прецизионной интерференционной и компьютерной оптики, синтеза новых функциональных материалов, создания источников излучения и фотонных устройств нового поколения. Проект направлен на выполнение комплексных исследований по нескольким основным направлениям: лазеры для навигации, геофизики, медицины; эффективные лазерные источники излучения; лазерные и нано-технологии; динамика волновых процессов и квантовых состояний, кинетика неравновесных сред; структурированные световые поля; перспективная фотоника и сенсорика; создание новых функциональных материалов. Методология проведения работы – комплексные экспериментальные исследования и теоретические работы с использованием аналитических и численных методов. Результаты работы: 1) Получена квазинепрерывная генерация лазера с диодной накачкой на метастабильных атомах аргона со средней мощностью 1.7 Вт. 2) Измерены температурные зависимости констант скоростей тушения возбужденных состояний аргона 2p6-2p10 атомами гелия в диапазоне температур 350-800 К, значимых для формирования инверсной населенности лазера с оптической накачкой на инертных газах. 3) Разработан способ организации наносекундного импульсно-периодического разряда на основе разрядных импульсов напряжения переменной полярности, существенно повышающий его устойчивость. 4) Установлено, что толщина пленок, полученных лазерным спеканием из керамополимерной композиции состава ПВДФ:ЦТС = 2:1 на 10 % меньше, а коэффициент открытой пористости на 10–15 % ниже, чем у пленок из чистого ПВДФ. Керамический наполнитель повышает вероятность термоокислительной деструкции полимера и препятствует росту кристаллитов при → фазовом переходе при лазерной обработке. При поляризации в плазме коронного разряда наполнитель повышает вероятность α→ фазового перехода. 5) Экспериментально получен коллоид биметаллических AuCu наночастиц с частичной агрегацией с фрагментами углеродных нанотрубок методом электрического разряда в органическом растворителе (коллоиде) между разнородными металлическими электродами. 6) Установлено, что лазерная обработка стали 40Х профилированным излучением мощного диодного лазера является эффективным средством достижения высоких показателей работоспособности упрочненных изделий. Это обеспечивается ростом деформационных характеристик стали в зоне обработки в 2,1-3,9 раза на глубинах до 400-500 мкм при обработке без оплавления поверхности и на глубинах до 1500-2000 мкм при лазерной обработке с оплавлением. 7) Найдено аналитическое представление мод световых полей Айнса-Гаусса через моды Эрмита- и Лагерра-Гаусса при любых значениях параметра эллиптичности. 8) Экспериментально измеренные величины топологического заряда различных конфигураций кольцеобразных световых полей, формируемых секторной спиральной пластиной на основе ЖКС с частотой реконфигурации до 3 кГц, составляют от 1 до 4. 9) Предложены и реализованы новые типы фазовых масок. С их использованием в схемах лазерного пинцета реализован управляемый поворот ансамблей захваченных микрочастиц, поворот одиночных частиц несимметричной формы больших размеров (до 80 мкм), а также равномерное позиционирование микрочастиц на подложке. 10) Развита модель топологического поиска взаимосвязей между различными кристаллическими структурами для прогнозирования новых оптических материалов. 11) Проведено численное моделирование динамики оптического поля в резонаторе с инжекцией внешнего излучения, содержащем контур обратной связи и среду с кубической нелинейностью. Впервые обнаружено, что в такой системе возможна генерация квадратных оптических волн, в том числе с несколькими значениями плато интенсивности, а также хаотические режимы. 12) Показано, что найденными типами квадратных волн можно эффективно управлять с помощью изменения амплитуды инжекции и параметров контура обратной связи, что перспективно для высокоскоростной передачи и обработке сигналов. 13) Проведено численное моделирование динамики нанолазера динамического класса С, перспективного для реализации сверх-высокоскоростных (ultra-high-speed) режимов модуляции сигнала. В результате обнаружены домены спиральных оптических волн с формированием резких всплесков интенсивности на границе доменов, а также осциллирующие во времени неподвижные оптические структуры. 14) Для условий корональной солнечной плазмы построены области устойчивости плоских магнитоакустических волн и энтропийных мод в зависимости от свойств источника нагрева, угла распространения по отношению к магнитному полю и плазменного параметра бета. 15) С использованием известных высотных профилей температуры и концентрации электронов в солнечной атмосфере, разработан новый метод определения параметров функции нагрева солнечной короны. 16) 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. 17) Предложена и отработана схема для высокоточных расчетов энергий ионизации органических молекул с учетом всех возможных конформационных изомеров. 18) Экспериментально определены зависимости выходов продуктов реакции фенильного радикала с ацетиленом от температуры и давления. Обнаружено, что при низких температурах и высоких давлениях реакция протекает по механизму Биттнера-Говарда, в то время как при высоких температурах и низких давлениях реакция идет по оригинальному механизму Френклаха с образованием фенилацетилена. 19) Разработан и протестирован кинетический механизм термического разложения трифенилфосфата в условиях горения. 20) Предсказаны новые катализаторы (SO₃, SeO₂) для процесса изомеризации нитрилоксидов в изоцианаты. 21) Изучены низкочастотные флуктуации излучения моноблочных He-Ne лазеров для разработок гравитационных градиентомеров. 22) Изучено влияние асимметрии спонтанного распада возбуждённого состояния на сдвиг частоты опорного КПН-резонанса. Установлена нелинейная зависимость сдвига квадратурного сигнала от интенсивности излучения. Оптимизирован состав газовой смеси для стандартов частоты на КПН-эффекте. 23) Развит метод расчёта спектров излучения лазеров с вертикальным резонатором при СВЧ-модуляции тока инжекции с целью оптимизации характеристик мощности. 24) Предложен метод подавления светового сдвига частоты микроволнового перехода для КПН-резонанса в газовой ячейке. 25) Разработана новая конструкция диодного лазера с внешним резонатором с интерференционным фильтром. 26) Изучена катодолюминесценция гетероструктуры с квантовыми ямами CdS/ZnSe/ZnSSe. Оценена длина диффузии неравновесных носителей в барьерных слоях. 27) Для оптимизации энергетических характеристик Cr2+:CdSe лазера путем подавления тепловой линзы изучен термооптический эффект в кристалле CdSe. Достигнуто рекордное значение энергии лазера 1.2 Дж при дифференциальном КПД 51 %. 28) Развита методика выращивания монокристаллов ZnSe из паровой фазы, легированных в процессе роста атомами Fe, по модифицированному методу "свободного роста" при физическом транспорте в He. 29) Разработан и создан полупроводниковый дисковый лазер (642 нм) на гетероструктуре с квантовыми ямами GaInP/AlGaInP при внутрирезонаторной накачке излучением лазера на красителе 6G (611 нм). 30) Развита техника увеличения яркости фемтосекундной лазерной системы до значений интенсивности более 1017 Вт/см2. 31) Изучена эволюция спектров комбинационного рассеяния света от поверхности титановых фольг при их фторировании с целью повышения чувствительности метода для изучения нанопокрытий. 32) Изучены и оптимизированы излучательные характеристики новых твердотельных лазерных сред: Cr2+:CdSe, халькогенидного стекловолокна с ионами Tb3+, селенидного стекла с ионами Nd3+ и других. 33) Развиты методы фотодинамической терапии и конфокальной микроскопии, перспективные для биомедицинских приложений. 34) Усовершенствованы методы формирования и спекания многослойных образцов самосвязанного карбида кремния для приложений в материаловедении. 35) Оптимизированы параметры излучения медицинского лазера на парах меди для лазерной хирургической коррекции сосудистых и пигментных нарушений кожи методом селективной фотодеструкции. 36) Разработаны расчетные и теоретические модели для описания процессов в сплавах при ударном лазерном упрочнении. 37) Развиты численные методы моделирования упругих полей наноразмерных дефектов и гомогенизации вязкоупругих композитов. 38) Разработаны расчетные средства и выполнены расчеты по методу Монте-Карло, моделирующие процесс коагуляции призматических дислокационных петель в облученных металлах. 39) Развита техника трехмерной локализационной микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения с использованием точечных излучателей и техники спиральных пучков. 40) Описано уширение бесфононной спектральной линии примесной молекулы вследствие слабого электрон-фононного взаимодействия с одиночной низкочастотной квазилокализованной модой и выполнен расчет уширения для модели относительных смещений атомов матрицы. 41) Создана квантово-кинетическая теория кооперативной фотолюминесценции двух органических молекул, описывающая спектральные характеристики фотолюминесценции диполь-дипольно спутанных примесных излучателей при криогенных температурах. 42) Построена модель генерации второй гармоники с резкой границей раздела двух макроскопически однородных сред. 43) Развит метод двухчастотной СВЧ-модуляции тока накачки диодного лазера с вертикальным резонатором для улучшения метрологических характеристик КПН-резонанса. 44) Исследовано влияние буферных газов на формирование КПН-резонанса при регистрации в режиме рэмси-спектроскопи и предложен состав газовой смеси для улучшения характеристик резонанса, перспективных для миниатюрных атомных часов. 45) Изучена схема формирования высококонтрастного внутридоплеровского резонанса на атомах 87Rb, в т.ч. зависимости ширины, амплитуды, контраста резонансов от параметров эксперимента. 46) Изучены частотные характеристики КПН-резонанса, обусловленные его асимметрией; объяснено возникновение нелинейного вклада при модуляции частоты СВЧ-поля. 47) Разработаны и апробированы уникальные в России экспериментальные методы визуализации водных интерфейсов методом микроскопии генерации второй гармоники. Реализация научной темы способствует импортозамещению высокотехнологичной продукции и обеспечению научно-технологического суверенитета РФ в области квантовых и лазерных технологий, прецизионной и компьютерной оптики, материаловедения, биофотоники и сенсорики. За отчетный период подготовлено 74 печатные работы в журналах Белого списка (индексируемых в базах данных РИНЦ/WoS/Scopus).