МЕЖДУНАРОДНЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТР

Научная работа

В 2002 г. МЛЦ МГУ проводил научную работу по следующим основным направлениям:

– фундаментальные проблемы лазерной физики и нелинейной оптики;

– физические основы лазерных технологий;

– лазерная химия, биофизика и биомедицина;

– получение сверхсильных световых полей и их применение;

– физика поверхности и наноструктур;

– квантовые компьютеры и обработка квантовой информации.

Велась работа над выполнением заданий в рамках государственных научно-технических программ «Методы комплексной диагностики наноструктур» и «Развитие новых направлений элементной базы информационных технологий», финансируемых напрямую Минпромнауки. Продолжалось финансирование по гранту ведущих научных школ — Школа Ахманова–Хохлова. Наряду с этим лазерный центр активно участвовал в ряде других НТП с финансированием через другие головные институты. МЛЦ МГУ является исполнителем исследований по 37 грантам Российского фонда фундаментальных исследований и 4 грантам зарубежных фондов (INTAS, CRDF, DFG–РФФИ и VW-Stiftung).

С целью привлечения дополнительного финансирования в МЛЦ МГУ велись работы по контракту с Международным лазерным центром г. Братиславы (Словакия). Настоящая фаза работ характеризуется активным выполнением совместных исследовательских проектов в рамках контракта.

По результатам выполняемых в МЛЦ МГУ научных исследований было опубликовано 115 статей в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, сделано 129 докладов на российских и международных конференциях. В эти исследования активно вовлекались студенты различных факультетов МГУ — они стали авторами и соавторами более чем 60 статей и докладов.

Ниже приведены основные научные достижения МЛЦ МГУ за 2002 г.

1. Фундаментальные проблемы лазерной физики и нелинейной оптики.

Теоретически и экспериментально исследованы процессы когерентного четырехволнового взаимодействия лазерных импульсов в наполненных газом полых волноводах. Показана возможность создания полых фотонно-кристаллических волокон, обеспечивающих максимальное пропускание излучения с требуемой длиной волны. Созданы и испытаны волокна для передачи излучения с длинами волн 532, 633 и 800 нм.

Исследована модовая структура и спектральные свойства излучения суперконтинуума, генерируемого в микроструктурированном волокне фемтосекундными импульсами излучения титан-сапфирового лазера.

Продемонстрирована возможность использования многоимпульсного лазерного возбуждения для диагностики наноструктурированных материалов и обсуждена эффективность этого метода для исследования металлических наночастиц и тонких пленок.

Обнаружены размерные эффекты при генерации гигантской второй гармоники в связанных микрорезонаторах на основе фотонных кристаллов из пористого кремния.

Методом вырожденной четырехфотонной спектроскопии исследованы сплошные сверхтонкие (30–40 нм) пленки платины, нанесенные на подложки из стекла K8 методом лазерного напыления. Полученные результаты интерпретированы в рамках модели, учитывающей процесссы насыщения межзонных электронных переходов.

Выращены кристаллы трибората лития и дигидроарсената цезия с различной степенью дейтерирования, выполнены эксперименты по влиянию температуры кристалла на групповую длину при генерации второй гармоники излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера и эксперименты по компенсации дисперсии активного элемента лазера с помощью кристалла трибората лития.

Измерены спектры шумовой компоненты излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера, проведено сравнение с аналогичными данными для титан-сапфирового лазера. Предложена новая схема лазерного доплеровского анемометра для диагностики реальных объектов, позволяющая существенно уменьшить шумы регистрации при измерении скорости объекта.

Выполнен цикл исследований по спектроскопии трех- и четырехволнового параметрического рассеяния света поляронных и поляритонных состояний в образцах кристаллов LiNbO3:Mg c различной концентрацией легирующей примеси Mg в диапазоне 0–7,1 мол.% до и после химического редуцирования.

Развита теория внутрирезонаторных последовательных квазисинхронных волновых взаимодействий в активно-нелинейной среде с регулярной доменной структурой (РДС). Исследованы последовательные квазисинхронные процессы в активно-нелинейном Nd:Mg:LiNbO3 кристалле с РДС. Усовершенствована технология роста нелинейных и активно-нелинейных (активированных ионами Nd) кристаллов ниобата лития с РДС. Для активно-нелинейных сред с РДС получены рекордные значения мощности генерации второй гармоники.

Экспериментально и теоретически изучено нелинейное взаимодействие световых пучков в пленках азотсодержащих полимеров с пространственно-неоднородной структурой. Экспериментально продемонстрирована оптическая реверсивность азотсодержащих соединений.

Исследовано самовоздействие однородно эллиптически поляризованного пучка гауссового профиля в среде с нелокальностью нелинейно-оптического отклика, приводящее к резкому изменению поляризации светового поля в плоскости поперечного сечения.

2. Физические основы лазерных технологий.

В отчетный период МЛЦ МГУ продолжал работы по международному контракту на создание в Международном лазерном центре Братиславы комплекса научного, научно-технологического и учебного оборудования. В рамках контракта выполнены совместные проекты в области науки и образования. Начат цикл работ по подготовке мультимедийных спецкурсов по лазерной физике и применениям лазеров. В процессе создания находится библиотека научной литературы совместного доступа для МГУ и МЛЦБ.

Разработан опытный образец лазерного оптико-акустического томографа для ранней диагностики рака груди. Исследованы возможности применения лазерного возбуждения ультразвукового импульса для диагностики геометрических параметров механизмов.

3. Лазерная химия, биофизика и биомедицина.

Исследованы возможности лазерной дистилляции энантиомеров из рацемической смеси (паров) молекул перекиси водорода и ее изотопомера HOOD. Предложен новый метод лазерной дистилляции, основанный на когерентном управлении ротационно-торсионными состояниями молекулы.

Методом спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света исследована динамика белка лизоцима в процессе агрегации.

Экспериментально и теоретически исследованы новые быстрые нелинейные алгоритмы для задач линейной диффузионной оптической томографии протяженных сильно рассеивающих объектов.

Методами лазерной флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии КР изучены спектральные свойства фоксингов – одного из наиболее распространенных видов повреждения старинных рисунков, гравюр, рукописей, книг, архивных документов и хлопчатобумажных тканей.

4. Получение сверхсильных световых полей и их применение.

Экспериментально исследованы параметры высокотемпературной плазмы, зажигаемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью более 1016 Вт/см2, получена генерация высокоэнергетичных (E>30 кэВ) как положительных, так и отрицательных ионов. Исследованы режимы микроканалирования в процессе самовоздействия фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью 1013 Вт/см2 в прозрачных твердотельных средах, определены условия возникновения этого режима. Создан детектор гамма-квантов с энергией до 20 кэВ, позволяющий регистрировать гамма-распад низкоэнергетических ядерных состояний, возбуждаемых в фемтосекундной лазерной плазме. Впервые проведено прямое измерение энергетического спектра горячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы и развита экспериментальная схема для регистрации конверсионных электронов, возникающих в результате конверсионного распада низкоэнергетических ядерных состояний, возбуждаемых в фемтосекундной лазерной плазме. В численном эксперименте исследован процесс распада низкоэнергетических ядерных уровней через внутреннюю электронную конверсию с учетом динамики параметров плазмы. Для ряда изотопов определены параметры лазерного импульса, при которых возможно экспериментальное наблюдение эффекта подавления внутренней конверсии.

Изучено образования филаментов при распространении импульса в среде со случайными флуктуациями показателя преломления. Исследованы статистические характеристики пучка филаментов в зависимости от параметров атмосферной турбулентности и мощности фемтосекундного лазерного импульса.

5. Физика поверхности и наноструктур.

Разработана методика сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) высокого разрешения, позволяющая изучать индивидуальные атомные примесные состояния в полупроводниковых кристаллах. Показано, что при исследованиях методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) на электронную структуру поверхности влияют индивидуальные примеси, расположенные на глубине до 5 слоев, причем высота СТМ изображения атома логарифмически зависит от глубины его залегания. Разработана экспериментальная методика идентификации изолированных атомных примесей в поверхностных слоях полупроводника с учетом различных эффектов взаимодействия методами СТМ/СТС.

Традиционные методы анализа поверхности (дифракция медленных электронов и электронная оже-спектроскопия) совмещены с методами сканирующей зондовой микроскопии.

Экспериментально реализован сканирующий оптический микроскоп ближнего поля и разработана регистрирующая система с фемтосекундной накачкой, работающая в режиме счета фотонов и предназначенная для регистрации слабого излучения от ограниченного числа молекул, находящихся в нанополостях и наноструктурах.

Разработаны теоретические основы и экспериментальные методики построения изображений, определения формы, размера, положения и состава объектов и структур объектов микронных и субмикронных размеров на основе нелинейно-оптического взаимодействия.

Исследовано возбуждение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на металлической решетке в симметричном случае. Показано, что при отражении интенсивного лазерного излучения от поверхности металла происходит генерация второй оптической гармоники, эффективность генерации которой при возбуждении ПЭВ возрастает на 2–6 порядков. Экспериментально исследовано нелинейное взаимодействие независимых ПЭВ, рассмотрен процесс четырехволнового смешения.

Проведен анализ механизмов рекомбинации носителей и экситонов в квантовых нитях CdS и CdSe c диэлектрическим барьером.

Обнаружена корреляция между концентрационной зависимостью коэффициента гигантского магнитосопротивления и магнитного Контраста магнитоиндуцированной второй гармоники в магнитных гранулярных пленках Co-Ag и CoFe-Al2O3.

6. Квантовые компьютеры и обработка квантовой информации.

Новая мера квантовой информации – совместимая информация – была использована для детального анализа процессов обмена квантовой информацией атомами через поле излучения. Показано, что специальный тип совместимой информации – неселективная информация – может быть эффективно использована для создания нового криптографического квантового протокола с континуальным алфавитом, который превосходит по эффективности все предложенные ранее.

Развита супероператорная техника математического описания процессов измерения в открытой системе объект–индикатор–резервуар. С ее помощью математически конкретизировано понятие стандартного квантового измерения. Введено понятие перепутывающего измерения, при котором информация об измеряемой системе возникает в форме квантовой перепутанности в системе объект–индикатор.

Разработана теория преобразования когерентных световых состояний при последовательных нелинейно-оптических взаимодействиях. Исследованы квантовые свойства света, генерируемого при трехчастотных волновых взаимодействиях (самоудвоении и самоделении частоты пополам) в активно-нелинейном кристалле Nd:Mg:LiNbO3 с РДС и разработана теория формирования перепутанных квантовых состояний при последовательных взаимодействиях в нелинейном кристалле с РДС.

Создан квантовый поляризационный бифотонный томограф, позволяющий измерять произвольное поляризационное состояние одномодового света в четвертом порядке по полю.