Научный отчет МЛЦ МГУ за 2000 г.

Общие сведения

Международный учебно-научный лазерный центр МГУ (МЛЦ МГУ) был создан в 1989 г. по инициативе выдающегося ученого, профессора Московского университета С.А. Ахманова. Это одно из самых авторитетных междисциплинарных подразделений Московского университета, занимающееся организацией исследований на стыках лазерной физики и других естественных наук — биологии, химии, медицины, экологии, а также обучением и переподготовкой специалистов, уже имеющих высшее образование. Деятельность МЛЦ МГУ как бы перебрасывает мостик между фундаментальными исследованиями в области лазерной физики и нелинейной оптики и прикладными исследованиями с применениями лазерных методов в биологии, медицине, химии и в других науках.

Организационно и структурно МЛЦ МГУ является самостоятельным подразделением Московского университета, имеющим, согласно Уставу МГУ, права отдельного факультета или научно-исследовательского института. В своей деятельности МЛЦ МГУ широко использует международную кооперацию, привлекает иностранных ученых для проведения совместных научных исследований, чтения лекций, проведения семинаров. Осуществляется переподготовка и иностранных специалистов. В масштабах России МЛЦ МГУ координирует проведение крупных междисциплинарных научно-технических программ и проектов в области лазерной физики и нелинейной оптики. При этом МЛЦ МГУ сам является активным участником и соисполнителем многих программ, организатором крупных Международных конференций и школ.

Структура центра

Высшим руководящим органом МЛЦ МГУ является научно-методический Совет. Текущее руководство деятельностью центра осуществляется директоратом в лице директора центра и четырех его заместителей по научной работе и международному сотрудничеству, учебной работе, финансовой деятельности и по административной работе. Научно-исследовательская и преподавательская работа ведется в лабораториях:

• интеллектуальных оптических систем;
• роста нелинейно-оптических и лазерных кристаллов;
• нелинейной лазерной спектроскопии;
• твердотельных лазеров;
• сверхбыстрых процессов в биологии;
• КБ уникального лазерного приборостроения с опытным производством;
• лингвострановедения.

Наука

В 2000 г. МЛЦ МГУ проводил научные работы по следующим основным направлениям:

• Исследования в области физики лазеров оптического, ультрафиолетового и более коротковолнового диапазонов;
• Разработка новых лазерных систем и принципиально новых подходов к решению задач контролируемого воздействия лазерного излучения на свойства вещества и материалов;
• Исследование физических процессов в химических и биологических объектах, разработка новых лазерных технологий и новых методов контроля параметров технологических процессов;
• Разработка новых нелинейно-оптических материалов и активных сред для лазеров нового поколения, обеспечивающих генерацию лазерного излучения с управляемыми спектральными, амплитудными, временными, пространственными и поляризационными характеристиками, в том числе лазеров, генерирующих импульсы предельно короткой длительности и сверхвысокой интенсивности.

Научная работа проводилась в рамках государственных научно-технических программ “Фундаментальная метрология”, “Физика квантовых и волновых явлений” и “Физика твердотельных наноструктур” — всего 16 проектов. МЛЦ МГУ является исполнителем исследований по 23-ти грантам Российского фонда фундаментальных исследований и 8 грантам зарубежных фондов (INTAS, NATO, DFG, CRDF и др.)

С целью привлечения дополнительного финансирования в МЛЦ МГУ велись работы по договорам и контрактам: с Международным лазерным центром г. Братиславы (Словакия) и клиникой “Шарите” Гумбольдского университета (Берлин, ФРГ).

По результатам выполняемых в МЛЦ МГУ научных исследований было опубликовано 140 статей в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, сделано 144 доклада на российских и международных конференциях. В эти исследования активно вовлекались студенты различных факультетов МГУ— они стали авторами и соавторами более чем 57 статей и докладов. В 2000 г. 6 студентам физического факультета МГУ, работающим по договорам с МЛЦ МГУ, были присуждены стипендии им. Леонарда Эйлера по линии ДААД (Германия) в рамках сотрудничества между МЛЦ МГУ и Институтом прикладной физики университета г. Бонн (Германия).

Ниже приведены основные научные достижения МЛЦ МГУ за 2000 г.

1. Фундаментальные проблемы лазерной физики и нелинейной оптики

Предложена самосогласованная система уравнений взаимодействия атома с электромагнитными полями произвольной интенсивности. Специфика предложенной теории состоит в том, что уравнения для плотности заряда и тока атомных электронов становятся нелинейными и нелокальными. Основная причина нелинейности и нелокальности состоит в неточечности электрона, что приводит к появлению эффектов самовоздействия. Наличие указанных эффектов проявляется в том, что уже в нулевом приближении происходит расщепление вырожденных уровней атома водорода. Предложенная теория объясняет наличие дискретных уровней энергии электрона в атоме, как стационарных самосогласованных состояний электронного облака.

Теоретически и экспериментально исследована компрессия фемтосекундных лазерных импульсов в одномерном фотонном кристалле. Показано, что в одномерном фотонном кристалле, приготовленном в виде многослойной периодической структуры с сильной модуляцией показателя преломления, возможна компрессия фемтосекундных лазерных импульсов при толщине структуры всего 4,8 мкм.

Изучено распределение электромагнитного поля в двумерных фотонных кристаллах с дефектом решетки и исследованы спектры дефектных мод в запрещенных зонах таких структур. Предложена идея синхронной генерации второй гармоники сверхкоротких лазерных импульсов в фотонных кристаллах, заполненных нелинейной средой с практически произвольным законом дисперсии. Методом сканирующей оптической микроскопии ближнего поля (СОМБП) экспериментально исследована пространственная локализация электромагнитного поля на периодических и апериодических структурах. В спектрах пропускания волокон, с оболочкой в виде двумерной периодической структуры с периодом менее 500 нм обнаружены фотонные запрещенные зоны, перестраиваемые в области 930–1030 нм.

Изучены эффекты распространения фемтосекундных лазерных импульсов в волноводах с фотонно-кристаллической (ФК) оболочкой. Анализ спектров излучения на выходе волновода указывает на существенное уширение спектра фемтосекундных импульсов, что демонстрирует возможность использования волноводов с ФК-оболочкой для увеличения эффективности генерации суперконтинуума. Для увеличение эффективности нелинейно-оптических взаимодействий в подобных волноводах были продемонстрированы физические принципы реализации фотонно-кристаллических волокон с фотонной запрещенной зоной оболочки, перестраиваемой в видимой и ближней ИК области спектра. Были изготовлены и экспериментально изучены волокна с оболочкой в виде двумерной периодической структуры с периодом менее 500 нм, что позволило впервые наблюдать фотонные запрещенные зоны, перестраиваемые в области 930--1030 нм, в спектре пропускания волокон. Изучены процессы генерации высших оптических гармоник от фемтосекундных лазерных импульсов в наполненных газом полых оптических волноводах.

Развиты теоретические и экспериментальные основы нового оригинального метода микроскопии для количественного и качественного анализа возбужденных газовых сред и плазмы, основанного на процессе генерации третьей оптической гармоники (ГТГ). В многослойных структурах с модуляцией показателя преломления и нелинейной восприимчивости обнаружен эффект увеличения эффективности генерации суммарной и второй гармоники фемтосекундных лазерных импульсов в случае если частота основного излучения соответствует краю брэгговской запрещенной зоны. Исследован процесс генерации суммарной частоты от двух неколлинеарных пучков фемтосекундных лазерных импульсов от металлических поверхностей с периодическим рельефом.

Проведены исследования последовательных нелинейно-оптических взаимодействий в активно-нелинейной среде с регулярной доменной структурой. Теоретически рассмотрены процессы самоудвоения, генерации субгармоники, параметрического усиления при низкочастотной накачке в активно-нелинейных кристаллах Nd:Mg:LiNbO3 с регулярной доменной структурой. Выполнены исследования влияния нерегулярности доменной структуры кристалла на эффективность генерации высших оптических гармоник при последовательных взаимодействиях. Создан источник когерентного оптического излучения (0,53 мкм) с самоудвоением лазерной частоты с селективной накачкой на активно-нелинейном кристалле Nd:Mg:LiNbO3 с регулярной доменной структурой. Проанализирована генерация перепутанных квантовых состояний в квазисинхронных параметрических процессах при низкочастотной накачке.

Разработана систематическая квантовая теория само и кросс-взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов, учитывающая время релаксации кубической нелинейности среды. Предложен метод расчета среднего времени достижения границы в задаче Крамерса для случая, когда это время велико по сравнению со временем корреляции.

Проведен расчет параметров группового синхронизма для процесса ГВГ большинства известных нелинейно-оптических кристаллов. Экспериментально исследована ГВГ излучения Cr:forsterite лазера в кристаллах CDA, DCDA в режимах близком к режиму группового синхронизма.

В области, посвященной исследованию распространения волн в реальных средах, развита методика численного моделирования многократного рассеяния света в случайно-неоднородных и средах и периодических структурах методом Монте-Карло. Совместно с лабораторией проф. С. Чина (университет Лаваль, Квебек, Канада) исследованы флуктуации положения филамента при распространении мощных фемтосекундных лазерных импульсов в естественных атмосферных условиях. Дано обобщение модели движущихся фокусов для описания филаментации при случайных флуктуациях показателя преломления в турбулентной атмосфере.

Экспериментально зарегистрированы эффекты нелинейного взаимодействия оптических структур различной симметрии в двухкомпонентной нелинейной системе с дифракционной обратной связью, следующие из теории многопараметрических бифуркаций.

Экспериментально наблюдены регулярные последовательности стоксовых и антистоксовых компонент при бигармоническом пикосекундном возбуждении вращательного перехода S0(1) молекул водорода.

2. Физические основы лазерных технологий

В отчетный период завершено выполнение первой очереди Контракта и начато выполнение его второй очереди между Международным учебно-научным лазерным центром МГУ им. М. В. Ломоносова (МЛЦ МГУ) и Международным лазерным центром Братиславы (МЛЦБ), Словацкая Республика в соответствии с Соглашением между Правительством Российской Федерации и Правительством Словацкой Республики “Об урегулировании задолженности бывшего СССР и РФ перед Словацкой республикой”. Разрабатываемый комплекс оборудования предназначен исключительно для научных и образовательных целей и будет служить базой для развития совместных российско-словацких исследований в области лазерной физики. В рамках выполнения Контракта разработаны концепция и стратегия развития МЛЦБ, который предполагает развитие и продвижение ряда новых перспективных научных направлений, а также технологических разработок с целью создания наукоемких коммерческих продуктов. Развиваемые направления структурно объединены в несколько лабораторий: лабораторию лазерной спектроскопии и микроскопии; лабораторию лазерных биомедицинских технологий; лабораторию лазерной метрологии, голографии и диагностики окружающей среды; лабораторию лазерного напыления и анализа элементного состава вещества; лабораторию лазерных демонстраций и метрологического контроля параметров лазерного излучения; лабораторию информационных технологий; учебную лабораторию.

В рамках работ по разработке основ лазерных технологий развиты новые способы получения наноструктурированных и дейтерированных мишеней с помощью ионной имплантации и лазерной модификации поверхности. Проведенные исследования показали, что наряду с ранее использовавшимися методами приготовления мишеней со структурированным приповерхностным слоем – напылением в атмосфере благородного газа, электрохимическим травлением кремния – лазерная модификация поверхности также обеспечивает формирование структурированного слоя непосредственно в процессе эксперимента. В модифицированных мишенях “температура” горячей электронной компоненты возрастает с интенсивностью быстрее, чем для сплошной мишени, достигая 8–10 кэВ при интенсивности 20 ПВт/см2. Возрастание “температуры” горячей электронной компоненты приводит к смещению спектра рентгеновского свечения плазмы в более жесткую область. Ионная компонента плазмы в модифицированных мишенях претерпевает существенные изменения. С одной стороны, увеличение “температуры” горячей электронной компоненты приводит к увеличению скорости разлета части ионов до 2–3x108 см/с и энергии ионов кремния до величин свыше 100 кэВ. Энергия этой ионной компоненты нарастает с интенсивностью как I0,4. Для лазерно-модифицированных мишеней нами наблюдался почти изотропный разлет плазмы в вакуум, причем такое поведение оказалось характерным как для тепловой, так и для горячей ионной компонент. Экспериментально апробирован ряд методов получения наноструктурированных дейтерированных образцов, поставлена методика регистрации одиночных нейтронов с энергией 2,45 МэВ. Для лазерно-модифицированной титановой мишени с атомной концентрацией дейтерия 1,65 получены нейтроны в количестве 5 нейтронов за импульс.

В рамках проекта по изучению возбуждения и распада низколежащих ядерных переходов в высокотемпературной плазме сверхкороткого лазерного импульса создан и исследован ряд сцинтилляторов и создан ФЭУ для регистрации гамма-свечения плазмы с разрешением 20–40 нс и регистрацией единичных гамма-квантов. Разработана программа расчета динамики плазмы с учетом остаточного газа в камере и показано, что возможно замедление распада ядерных уровней за счет подавления внутренней конверсии сильно ионизованных ионах.

Разработан и практически реализован оптико-акустический метод прямого невозмущающего измерения пространственного распределения интенсивности света и оптических характеристик в сильно рассеивающих света средах по временному профилю оптико-акустического сигнала. Проведен теоретический анализ интерференции встречных продольных акустических волн в однородной изотропной поглощающей пластинке и периодической структуре с дефектами, состоящей из чередующихся твердых слоев в жидкости и получено условие для экстремума пропускания ультразвуковых волн определенной частоты от отношения амплитуд взаимодействующих волн.

В рамках исследования диффузного и малоуглового рассеяния рентгеновских лучей в многослойных структурах с целью определения статистических характеристик шероховатостей границ раздела и объемных неоднородностей предложено использовать крайне асимметричное брэгговское отражение от кристалла для получения увеличенного изображения объекта в рентгеновском диапазоне. Экспериментально получено 20-ти кратное увеличение (Si, отражение (111), коэффициент асимметрии 20, излучение MoK) тест-объектов (металлическая сетка с шагом 70 мкм и танталловая фольга с отверстиями от 20 мкм и выше) с разрешением лучше 20 мкм. Проведенные расчеты в рамках динамической теории дифракции с учетом зеркального отражения позволили получить оценки оптимального увеличения (К~100) и предельного пространственного разрешения по объекту (~0,2 мкм, Ge (111), CuK).

Проведены эксперименты по высокоплотной записи голограмм в пленках фоточувствительного полимера. Исследована динамика энергообмена световых пучков в полимерных пленках.

3. Лазерная химия, биофизики и биомедицина

Методом КР-спектроскопии проведено комплексное исследование влияния взаимодействия с лигандами и комплексообразования на структуру молекулы белка-фермента химотрипсина. Анализ конформационно-чувствительных полос (амид I, амид III, дисульфидные мостики, триптофан, тирозиновый дублет) позволил определить функционально значимые конформационные изменения молекулы фермента. Выполнены работы по КР-спектроскопии растительных токсинов, используемых при изготовлении лекарственных средств. Исследовались особенности строения молекул токсинов и взаимодействия их транспортных и активных субъединиц. Начаты работы по определению природы широкополосного фона в спектрах комбинационного рассеяния биомолекул.

Методом “возбуждение–зондирование” с фемтосекундным временным разрешением исследована динамика сигнала фотоиндуцированного поглощения нанополиацетилена на длине волны 800 нм (1,55 эВ) при возбуждающем излучении на длине волны 400 нм (3,1 эВ). На основе анализа спектров спонтанного комбинац