Оптика и физика колебаний

Оптика метаматериалов, наноплазмоникаи магнитоплазмоника

Исследованы свойства нового класса квантово-коррелированных состояний излучения — оптико-терагерцовых бифотонных полей, рождающихся при сильно-невырожденном параметрическом рассеянии. Разработаны квантовые методы фотометрии излучения и спектроскопии сред в терагерцовом диапазоне частот. Созданы терагерцовые фотопроводящие антенны и эффективные преобразователи частоты на основе топологических изоляторов. Обнаружено гигантское усиление нелинейных оптических и магнитооптических эффектов в нано- и магнитоплазмонных структурах. На основе новых нелинейно-оптических методик была реализована диагностика структурных, магнитных и резонансных свойств метаматериалов и фотонных кристаллов, разработаны новые метаматериалы, обеспечивающие сверхбыстрое управление светом и магнитооптическим откликом.

На основе генерации магнитоиндуцированной второй гармоники развиты нелинейно-оптические методы визуализации тороидного момента намагниченности, нетривиальных магнитных состояний, анизотропии магнитных свойств и низкодобротных плазмонных резонансов в субволновых наноструктурах. Продемонстрирована высокая чувствительность нелинейно-оптического отклика для исследования неоднородной намагниченности метаматериалов. Экспериментально показано, что метод генерации магнитоиндуцированной второй гармоники позволяет исследовать слабые плазмонные резонансы в магнитных структурах, наблюдение которых другими методами затруднено.

Предложен дизайн и исследована серия гетероструктур, представляющих собой тонкие пленки кобальта на поверхности опала и сочетающих в себе магнитные, фотоннокристаллические и плазмонные свойства. Показано, что существуют частотно-угловые области, в которых наблюдаются одновременно и аномальное пропускание, и усиление поперечного магнитооптического эффекта (примерно на порядок, по сравнению с однородной пленкой кобальта той же эффективной толщины), обусловленные возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. Показано, что наличие поверх кобальта тонкой пленки серебра увеличивает резонансный магнитооптический отклик в два раза.

Впервые проведена спектроскопия интенсивности и фазы второй гармоники в метаповерхности, представляющей собой массив трехслойных нанодисков Au/MgF2/Au, расположенных в узлах квадратной решетки. Обнаружено усиление интенсивности квадратичного нелинейно-оптического сигнала примерно на порядок и изменение фазы ВГ на 360° в области возбуждения магнитодипольного резонанса. Предложена интерпретация наблюдаемых эффектов в терминах магнитодипольных компонент тензора квадратичной восприимчивости.

Впервые экспериментально исследованы особенности оптического и нелинейнооптического отклика квазидвумерной хиральной метаповерхности. Структуры представляли собой массивы винтообразных отверстий в серебряной мембране субволновой толщины, обладающие, как целое, вращательной симметрией 3-го, 4-го, 5-го и 6-го порядка. Показано, что исследуемые резонансные структуры сочетают в себе аномальное пропускание, и высокую оптическую активность, резонансная величина циркулярного дихроизма достигает десятков процентов. Обнаружено, что знак и величина циркулярного дихроизма как в линейном отклике, так и в нелинейно-оптическом, определяется вращательной симметрией массива.

Проведено детальное исследование оптических и магнитооптических эффектов в гиперболических метаматериалах (ГММ) на основе массивов металлических наностержней в диэлектрической матрице. Наблюдалось гигантское двулучепреломление в ГММ, обусловленное анизотропией оптических свойств и недостижимое в естественных средах — разница показателей преломления обыкновенного и необыкновенного луча в оптическом диапазоне достигает нескольких единиц. Такой эффект перспективен для создания на базе ГММ миниатюрных преобразователей поляризации электромагнитного излучения. Показано, что с помощью композитных магнитных ГММ такие устройства можно сделать магнитоуправляемыми.

Старший научный сотрудник кафедры общей физики и волновых процессов Иванов К.А. проводит эксперимент с сверхсильными лазерными полями

Показана возможность создания эффективных компактных источников перестраиваемых сверхкоротких импульсов, умножителей частоты и оптических переключателей на основе фотонно-кристалических волокон. Развита методика генерации импульсов с длительностью менее одного периода колебаний электрического поля в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах.

Квантовые технологии

Созданы прототипы квантовых компьютеров на основе одиночных атомов в оптических ловушках и фотонов в оптических интегральных схемах.

Совместно с ОАО ИнфоТеКС разработана и построена Университетская квантовая сеть (20 узлов, 50 км). В рамках работ по квантовым вычислениям сформирован протокол формирования перепутанных состояний между спинами электронов в системе связанных квантовых точек и циркулярно поляризованными фотонами. Формирование перепутанных состояний происходит благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию в квантовых точках. Проанализированы эффекты, влияющие на величину степени перепутанности и исследованы особенности временной эволюции степени перепутанности, обусловленные наличием взаимодействия между квантовыми точками и неидеальностью полости.

Прототип квантового компьютера

Полученные результаты могут быть применены для нужд современных квантовых технологий.

Лазерные системы и волоконно-оптическиелинии связи

Создан лазерный ультразвуковой дефектоскоп, позволяющий осуществлять неразрушающую диагностику структуры и свойств металлов и композитов, применяемых в критически важных отраслях промышленности. Его работа основана на лазерном возбуждении подповерхностной ультразвуковой волны и ее последующей регистрации пьезоэлектрическим приемником. Дефектоскоп способен обнаружить мельчайшие внутренние дефекты с точностью до сотых долей миллиметра.

Модель компактного поляритонного лазера на основе хирального полупроводникового брэгговского микрорезонатора

Аспиранты и студенты физического факультета на научной стажировке в лаборатории НТЦ Т8 отлаживают экспериментальный макет высокоскоростной системы волоконно-оптической связи

Теоретически разработан компактный поляритонный лазер на основе хирального полупроводникового брэгговского микрорезонатора с электрической (диодной) накачкой. Знак циркулярной поляризации контролируется типом хирального фотонно-кристаллического слоя на верхнем зеркале микрорезонатора и изменяется на противоположный в зеркально симметричной структуре.

Развита модель нелинейного интерференционного шума в волоконно-оптических линиях связи, установлен характер накопления и разработана методика ослабления нелинейного шума в длинных линиях связи. Результатом проведенных исследований стало достижение рекордной дальности (6000 км) без-регенерационной передачи информации в наземных линиях связи при суммарной скорости 8 Тбит/с.

Взаимодействие лазерного излучения с веществом

Исследованы кластеры и наноагрегаты, образующиеся при газодинамическом расширении среды в вакуум, а также особенности генерации обладающих высокой энергией электронов и ионов и жесткого рентгеновского излучения. Продемонстрирована возможность лазерной очистки мишеней для эффективного ускорения тяжелых многозарядных ионов. Впервые наблюдалось формирование потока быстрых отрицательных ионов при воздействии на твердотельные мишени интенсивного фемтосекундного лазерного излучения и гамма распада изомерного состояния Ta-181 с энергией 6.2 кэВ, а также конверсионного распада состояния Fe-57 с энергией 14.4 кэВ, при их возбуждении в лазерной плазме.

Создана нелинейная поляризационная сингулярная оптика сред, демонстрирующих нелокальный нелинейно оптический отклик вещества на внешнее световое поле. Исследовано изменение поляризации пучков и импульсов, взаимодействующих в нелинейных средах, изучена возможность появления сингулярностей поляризации распространяющегося излучения в задачах параксиальной оптики и при взаимодействии эллиптически поляризованного света с нанообъектами.

Предсказан квадратичный рост эффективности генерации выделенных групп гармоник в средах, представляющих собой набор газовых струй, взаимодействующих с двухчастотными лазерными полями, образованными первой и второй гармониками лазерного источника, при возрастании его длины волны. Показано, что при уменьшении ширины газовых струй, положение пика усиленных гармоник смещается в коротковолновую область спектра, амплитуда пика возрастает. Исследована генерация гармоник высокого порядка в газовых средах, находящихся вблизи периодической решетки, взаимодействующей с лазерным полем в условиях возбуждения плазмонного резонанса. Показано, что усиление лазерного поля над поверхностью решетки приводит к существенному увеличению эффективности генерации гармоник и расширению спектра генерируемого излучения.

Изучены механизмы генерации произвольно поляризованного когерентного излучения терагерцового, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов длин волн атомарными системами, взаимодействующими с интенсивными многокомпонентными произвольно поляризованными лазерными полями, а также развиты методы управления характеристиками (эффективностью, состоянием поляризации, частного-угловым спектром) такого излучения.

Теоретически исследовано и экспериментально зарегистрировано образование световых пуль с высокой плотностью мощности в фемтосекундном

лазерном импульсе в условиях аномальной дисперсии групповой скорости. Минимальная длительность световой пули составляет около двух периодов осцилляций светового поля. Исследованы закономерности формирования световых пуль с высокой плотностью энергии при экстремальной пространственно-временной компрессии фемтосекундного излучения среднего инфракрасного диапазона в прозрачных диэлектриках. Недавно показано, что постфиламент на протяженной трассе является источником инфракрасного суперконтинуума и может инициировать высоковольтный разряд. Впервые выполнено самосогласованное моделирование терагерцовой генерации при филаментации во внешнем постоянном поле и предсказано формирование кольцевых распределений высокочастотного терагерцового излучения, зарегистрированных недавно в эксперименте.

Генерация эллиптически поляризованного терагерцового излучения в двухчастотных лазерных полях, взаимо-действующих с атомом аргона

Синхротронное излучение

Построена теория синхротронного излучения с учетом аномального магнитного момента излучающей частицы и возможного нарушения CPT- и лоренц-инвариантности.

Разработана аналитическая модель эволюции мощности гармоник спонтанного и вынужденного излучения ондуляторов в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ), получившая подтверждение экспериментальными данными в спектральном диапазоне от видимого до рентгеновского.

Схематическое изображение процессов формирования изображения в композитном экране на основе CVD алмаза со встроенными наночастицами

По исследованиям различных классов соединений методами люминесцентной спектроскопии с использованием синхротронного излучения получены следующие результаты: предложены модели, объясняющие механизмы формирования квантового выхода и кинетики люминесценции твердых растворов; разработаны композитные материалы на основе CVD алмаза со встроенными наночастицами для регистрации высокоинтенсивных рентгеновских потоков; оценены перспективы создания пикосекундных сцинтилляторов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов; продемонстрированы возможности метода люминесцентного Z-скана для оценки вкладов областей треков с различной плотностью электронных возбуждений, создаваемых высокоэнергетическими частицами или фотонами, в выход и кинетику сцинтилляционного отклика.

Акустика

Обнаружена тепловая самофокусировка ультразвука в идеальной среде без поглощения, которой нет в нелинейной оптике и других разделах физики нелинейных волн, установлена предельная интенсивность (эффект насыщения) при фокусировке акустических импульсов, явления в разрывных волнах, в частности, поведение ударных волн разрежения. Проведено обобщение точного решения Ландау-Слезкина уравнений гидродинамики, допускающее переход к идеальной жидкости и снимающее дефект нулевого потока массы затепленной струи. Развита теория физики сильно нелинейных волн.

Важные результаты получены в области прикладной гидроакустики, акустики органных инструментов и концертных залов, физической акустики твердых тел, нелинейной акустодиагностики, теории дифракции, аэроакустики и других направлений современной акустики.

Предсказаны и исследованы новые эффекты в акустооптике: многократное брэгговское рассеяние света, квазиколлинеарное акустооптическое взаимодействие, аномальное отражение акустических волн, анизотропная дифракция света в средах с искусственной анизотропией. Предложены и реализованы новые методы обработки оптических сигналов: акустооптическая пространственная фильтрация изображений, визуализация оптического волнового фронта, управление характеристиками акустооптической дифракции с помощью внешнего воздействия.

Радиофизика

Создана универсальная широкополосная система связи для применений с беспилотными летательными аппаратами в условиях городской и полевой связи. Разработаны радиорелейные линии миллиметрового диапазона длин волн, не имеющие международных аналогов по скорости и дальности передачи информации (20 Гбит/c на расстоянии 25 км).

На основе развитой теории многослойных интерференционных структур, обладающих уникальными волновыми свойствами, создан не имеющий аналогов двухволновый ИК- радиометр, позволяющий дистанционно измерять температуру сильно нагретых объектов в сильно загазованной и влажной среде, в том числе и быстро истекающих (выше скорости звука) газовых потоков, а также высокочувствительные и широкополосные кроссмодуляционные приемники ИК-излучений в ближнем и среднем ИК-диапазоне, которые внедренны в различные отрасли отечественной промышленности.

Создан и испытан многолучевой клистрон с выходной мощностью 6 МВт и КПД 62%, что на 15-20% выше КПД лучших зарубежных аналогов. Разработана технология беспроводной передачи энергии для подзарядки кардиостимуляторов и имплантов, вживленных в живые организмы.

Теоретически исследовано вынужденное излучение электронных пучков в пространственно-ограниченной плазме, работа плазменных СВЧ-генераторов, черенковские плазменные источники электромагнитного излучения субтерагерцового диапазона. Реализованы СВЧ усилители и генераторы с плазменной замедляющей системой, обеспечивающие значительную перестройку частоты излучения (до двух раз) при субгигаваттном уровне мощности. Созданы механические колебательные системы с рекордной добротностью для гравитационно-волновых детекторов, компактные микрорезонаторы для телекоммуникационных и навигационных технологий, решены фундаментальные и технологические проблемы, препятствующие увеличению чувствительности этих приборов.

Сигналы гравитационных волн от слияния черных дыр, принятые детекторами LIGO

Получены оценки силы эффекта самокомпенсации ошибок в толщинах слоев многорезонаторных узкополосных оптических фильтров при их производстве с использованием контроля толщин напыляемых слоев по методу поворотной точки.