Лаборатория нелинейной оптики и сверхсильных световых полей
Фёдор Викторович, как называется ваша лаборатория и чем вы занимаетесь?
Наша лаборатория называется «Лаборатория нелинейной оптики и сверхсильных световых полей».Сверхсильные световые поля — это поля, напряженность которых сравнима с напряженностью поля внутри атома. В таких полях вещество перестает вести себя привычным образом, как это описывают уравнения Максвелла. Для создания сверхсильных световых полей требуется высокая интенсивность лазерного излучения. Интенсивность — это энергия лазерного импульса, деленная его длительность и площадь пятна фокусировки. Получается, что три основных способа получить высокую интенсивность — это наращивать энергию лазерных импульсов, фокусировать излучение и работать с короткими импульсами. Мы пытаемся во всех этих параметрах получать предельно возможные значения. По фокусировке − это дифракционный предел, так называемая лямбда-куб-система (λ3). Энергия ограничена теми активными лазерными средами, с которыми мы работаем. Ну и, соответственно, мы используем лазерные источники с очень-очень короткими импульсами – их длительность в 10^15 раз меньше, чем 1 секунда, то есть это фемтосекундные импульсы.
Вторая часть названия лаборатории — нелинейная оптика. Ее эффекты начинают проявляться при значительно меньших интенсивностях, чем нужно для того, чтобы организовать сверхсильное световое поле, но это тоже очень нетривиальная история. На кафедре многие лаборатории в той или иной степени занимаются нелинейной оптикой, но мы отличаемся тем, что сами делаем лазерные источники, с помощью которых эти нелинейные эффекты могут наблюдаться. В этом смысле мы уникальны.
С 1960-го года — с начала лазерной эры — прошло больше полвека. Лазерная физика тогда была в тренде, а сейчас она, казалось бы, должна была бы уже давно потерять эти позиции. И тем не менее за последние несколько лет уже две Нобелевские премии по физике были получены по физике лазеров. Сначала, в 2018 году, за разработку подходов к усилению чирпированных импульсов; это основа для получения очень мощного лазерного излучения. И вторая, в прошлом году, за генерацию аттосекундных импульсов. Получается, что актуальность этой тематики не спадает!
Но и здесь все дальнейшие исследования напрямую связаны с тем, какие у вас лазерные источники. Если вы, как большинство людей в мире, работаете с коммерческими лазерами (которые можно купить в фирме), то вы всегда получаете средние выходные параметры, так как вам продают хорошо отработанную технологию. Мы же все работаем на переднем краю технологий, создаём их преимущественно на отечественной элементной базе.
Уникальная установка, созданная в лаборатории, включает в себя двухканальную фемтосекундную мощную лазерную систему: пиковая мощность на уровне десятков и сотен гигаватт. Если энергия импульса — миллиджоули, а длина импульса — десятки фемтосекунд, то получается вот такая высокая пиковая мощность. Под двухканальностью имеется ввиду наличие излучения на двух длинах волн одновременно. В лабораториях на физическом факультете чаще всего можно встретить лазерные источники на основе активной среды титан-сапфир с центральной длиной волны генерации 0,8 мкм. У нас же генерационные длины волн, 1 мкм и 4 мкм − это ближний ИК диапазон и средний ИК диапазон с точки зрения шкалы электромагнитных волн.
При использовании более длинноволновых лазерных полей механизмы взаимодействия излучения с веществом становятся особенными. Электрон как наиболее легкая частица осциллирует во внешнем переменном электромагнитном поле лазерного импульса. Средняя кинетическая энергия электрона равна энергии его осцилляции, и в длинноволновых полях она растёт пропорционально произведению интенсивности на квадрат длины волны. То есть при одной и той же интенсивности увеличение длины волны воздействующего лазерного излучения в 4 раза ведёт к увеличению энергии электрона в 16 раз. Получение высокоэнергичных электронов важно для целого ряда применений.
Руководитель группы нелинейной оптики и сверхсильных световых полей Потёмкин Фёдор Викторович
Расскажите об исследованиях в области сверхсильных световых полей.
Итак, одно из направлений лаборатории — создание мощных лазерных источников, в первую очередь фемтосекундных в ИК диапазоне. Как происходит создание лазера? Всё начинается с выбора активной среды, с «правильного» кристалла. Создать «правильный» кристалл для генерации излучения — это очень-очень большой труд, потому что нужно иметь опыт в росте таких кристаллов и в исследовании их характеристик. Сначала исследуются спектры поглощения и люминесценции. Это важно для понимания, в каком диапазоне эта среда поглощает и в каком излучает. Поглощение определяет соответствующие схемы накачки таких активных сред, а спектр люминесценции позволяет вам определить, в каком диапазоне вы получите выходное излучение. Если заглянуть глубже, то именно энергетическая структура уровней в этом кристалле дает вам уникальный спектр лазерной генерации, который потом определяет вашу центральную длину волны. Для получения генерации в области 1 мкм мы используем кристалл хром-форстерита. Это такая силикатная матрица (Mg2SiO4), в которой расположены ионы четырехвалентного хрома (Cr4+). А другая среда, которая генерирует в среднем ИК диапазоне, уникальная — селенид цинка, легированный ионами железа. То есть это матрица селенида цинка (ZnSe), в которой некоторое количество атомов цинка заменено на двухвалентное железо (Fe2+). Вот так выглядит кристалл — он тёмно-коричневого цвета.
Как я уже говорил, у лазера на кристалле титан-сапфира центральная длина волны находится в области 0,8 микрона, у нас же это 1 мкм и 4 мкм. Причем это два канала, которые полностью синхронизированы друг с другом по времени — это тоже своего рода уникальная техника, потому что синхронизировать два импульса, каждый из которых по длительности в 10^15 раз меньше, чем секунда, без понимания физических основ формирования таких коротких электромагнитных сгустков энергии невозможно. Вот такие технологии у нас существуют в лаборатории.
Получается уникальная история с точки зрения создания лазерных источников. Однако кристаллы растим не мы, хотя когда-то в корпусе нелинейной оптики (КНО) была своя ростовая лаборатория. После распада Советского Союза всё это было как-то модернизировано, люди разбежались, поэтому такой лаборатории сейчас уже нет. Рост кристаллов ведется на базе двух научных центров: это Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН) и Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН в Нижнем Новгороде, который в основном занимается полупроводниковой микроэлектроникой и помогает нам в выращивании таких вот кристаллов. Только благодаря такому взаимодействию можно создавать уникальные лазерные источники полностью на отечественной базе.
Какие нелинейные эффекты вы исследуете?
Теперь про исследование нелинейных эффектов. Такие эффекты возникают при взаимодействии излучения с веществом, причем с веществом в достаточно широком смысле этого слова: это и газовые среды, и конденсированные материалы − диэлектрики и полупроводники.Я уже говорил, что режим взаимодействия инфракрасного излучения с веществом принципиально отличается от воздействия в видимом и ультрафиолетовом спектральных диапазонах. Именно это мы активно исследуем, а затем эти нелинейные эффекты можем использовать для расширения спектра генерации наших лазеров на очень-очень широкий диапазон, много-много октав* . Сейчас спектр генерируемого излучения с учетом работы всех нелинейных механизмов закрывает диапазон от вакуумного ультрафиолетового до терагерцевого диапазона. В длинах волн это от ~25 нанометров до ~300 микрометров. То есть вы представляете себе, какая широта спектра. И в основе всех этих нелинейных эффектов как раз лежит взаимодействие ИК излучения с веществом.
Немного о том, какие нелинейные эффекты мы используем для достижения этой цели. Во-первых, это процессы параметрического усиления в нелинейных кристаллах. Сначала кристалл накачивается интенсивным лазерным полем, а затем запускается затравочное излучение. В ходе параметрического процесса энергия накачки тратится на то, чтобы усилить затравочную волну. Если кристалл правильно вырезан, то вы можете получить усиленную затравочную волну и параллельно с этим у вас будет генерироваться излучение с частотой, равной разности частот накачки и затравочного излучения – так называемая, холостая волна. Наклоняя кристалл, вы можете перестраивать это излучение (изменять длину волны) в достаточно широком диапазоне. Получается такой вот способ закрыть те спектральные провалы, которые могут существовать в спектре генерируемого излучения, если вы используете только лазерные кристаллы. Ведь в этом случае спектр лазерной генерации определяется энергетическим спектром кристалла.
Во-вторых, это генерация суперконтинуума, говоря иначе — генерация сверхширокого спектра в процессе филаментации* мощного лазерного излучения. Если пиковая мощность излучения превышает некое критическое значение, называемое критической мощностью самофокусировки, то излучение перестает дифракционно расходиться, а начинает за счет нелинейных эффектов прижиматься ближе к оси, подфокусироваться. В результате у вас получается длинный световой канал с малым поперечным размером (диаметром плазменного канала) — соответственно, интенсивность в нем достаточно большая. Это позволяет обогатить спектр вашего лазерного излучения новыми частотными компонентами и генерировать так называемые широкополосные континуумы, или суперконтинуумы.
И наконец, мы используем процесс вырожденной генерации разностной частоты или оптическое выпрямление. Используя уникальные по своим нелинейным свойствам органические кристаллы, мы можем генерировать терагерцовое излучение при освещении кристалла интенсивным лазерным полем с длиной волны в области 1 мкм — так удачно совпало. В результате нам удается расширить спектр лазерной генерации до терагерцевого диапазона с высокой выходной энергией.
Как мы попадаем в вакуумно-ультрафиолетовый диапазон это отдельная тема! Она напрямую связана с аттосекундной физикой, за что в прошлом году была дана Нобелевская премия.
Визуализация пучка видимого излучения парами жидкого азота, которым охлаждается сам кристалл
Работа с фемтосекундным лазером на кристалле Fe:ZnSe
Для чего нужны аттосекундные импульсы и в чем проблема создания такого лазера?
Эта научная проблема связана с физикой генерации гармоник высокого порядка и синхронизации фаз отдельных гармоник во времени для получения аттосекундного импульса. Отмечу, что экспериментально аттосекундные импульсы до сих пор не были сгенерированы в России. В мире, очевидно, аттосекундные импульсы были получены — нобелевскими лауреатами.Мы одна из тех лабораторий, которые давно поставили перед собой задачу генерации аттосекундных импульсов. Поскольку задача очень-очень сложная, требующая очень высокого технологического уровня лаборатории, мы идем к ней последовательно. На текущем этапе мы сгенерировали достаточно широкий спектр в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне. Механизм, по которому нам удается это делать, связан с туннельным эффектом. Интенсивное лазерное поле так сильно искажает кулоновский потенциал, в котором сидит электрон в связанном состоянии в атоме, что возникает некий потенциальный барьер конечной ширины. С точки зрения квантовой физики мы знаем, что при возникновении барьера конечной ширины возникает ненулевая вероятность электронов туннелировать через барьер. Чем сильнее поле, тем уже барьер и тем больше вероятность туннелирования электрона. Электрон, туннелируя через этот барьер, оказывается в квазисвободном состоянии во внешнем переменном электромагнитном поле лазерного импульса, начинает ускоряться в этом поле и набирает энергию. А дальше, когда поле меняет знак, он начинает возвращаться к родительскому иону. В процессе рекомбинации электрон должен сесть в связанное состояние, с которого стартовал, и излишек энергии, набранный при движении во внешнем поле, высвобождается в виде спектра генерируемых гармоник.
Энергия, набранная электроном, напрямую зависит от интенсивности излучения и от длины волны воздействующего лазерного поля. Поэтому, если вы хотите генерировать широкий спектр в вакуумном ультрафиолетовом или рентгеновском диапазоне (на уровне кэВ*), вам нужно иметь интенсивные поля и длинноволновое излучение. Тут и проявляется уникальность наших лазерных установок. В мире для генерации длинноволнового излучения используется процесс параметрического усиления чирпированных импульсов, но это установки класса мегасайнс — мощные инфраструктурные проекты вроде Extreme Light Infrastructure, в реализации которых задействованы многие страны Европейского союза. А у нас это происходит на уровне обычной университетской лаборатории, еще и уникальное качество возникает.
Монтаж вакуумной камеры взаимодействия в установке по генерации гармоник высокого порядка
Сейчас аттосекундная физика переживает бум. В первую очередь это связано с различными применениями аттосекундных импульсов. Одно из самых интригующих — это возможность передавать информацию на очень высоких частотах. Напомню, что аттосекундный импульс — это 10-18 секунд, соответственно частота (величина обратная временному интервалу, на котором происходят значимые по величине изменения напряженности поля) — это 1018 Гц. Обычная электроника ограничена гигагерцовым (109 Гц) диапазоном — это диапазон, в котором у вас электроны могут, двигаясь относительно своих стационарных позиций, передавать энергию в виде электромагнитной волны по проводникам. Если же вы попытаетесь увеличить эту частоту, то вместо передачи информации вы будете греть проводник. Это происходит из-за токов Фуко, которые максимально прижимают поле к поверхности проводника. Тем самым уменьшается эффективное сечение, возрастает омическое сопротивление — и по закону Джоуля-Ленца вся энергия уходит в тепло.
Другой способ кодирования информации — модификация свойств используемого материала на частотах, соответствующих аттосекундным лазерным импульсам. При этом электроны, находящиеся в веществе, откликаются на поле и могут колебаться на этой высокой частоте. Следующая задача состоит в том, чтобы поставить этому процессу некую элементарную единицу, которую можно назвать битом информации. Если это получится, то плотность потока информации возрастет на девять порядков по сравнению со стандартной электроникой.
Понятно, что это всё пока на уровне идеи. В научном мире есть всего несколько экспериментальных реализаций: использовались тонкие пластины кремния, на них формировали тончайшие золотые контакты, светили на контактную поверхность аттосекундным импульсом и смотрели, изменяется ли как-то ток электронов на таких частотах, чтобы понять, можно ли им управлять. Пока там есть свои проблемы, но такие применения завораживают сознание учёного. У нас пока нет таких источников, чтобы активно войти в эту область, где вовсю обсуждаются применения, поэтому мы пытаемся создать их сами.
До сих проблема в физике аттосекундных импульсов остаётся проблема недостаточного количества фотонов в одном импульсе и ограниченного (частотой отсечки) спектра генерации. В нашем подходе наличие сильного терагерцевого поля, импульсов в среднем и ближнем ИК диапазонах позволяет нам предложить новый способ увеличения как энергии фотонов, так и их количества. Мы можем замешивать поля в разных частотных диапазонах и тем самым лучше управлять динамикой электрона, которая принципиально важна с точки зрения механизма генерации гармоник. Коротковолновое излучение заставляет электрон эффективнее туннелировать через барьер, а длинноволновые поля позволяют увеличить энергию электрона. Важно, чтобы оба поля должны быть интенсивными.
Никто в мире так не решает задачу генерации аттосекундных импульсов, поэтому у нас есть возможность первыми продемонстрировать преимущество такого подхода. Сейчас этой задачей активно занимается мой аспирант третьего года обучения Румянцев Борис. Все технические решения объединены в передовой установке по генерации гармоник и аттосекундных импульсов. На ней можно будет использовать такое излучение, для того чтобы дальше стремиться к решению фундаментальных вопросов и исследовать вещество на таких малых временных интервалах.
Резюмируя, мы создаём собственные лазерные источники, блоки нелинейно-оптического преобразования, где излучение этих источников используется для дальнейшего расширения спектра и получения квантов в различных спектральных диапазонах.
Какие практические применения есть у физики фемтосекундных импульсов?
Один из примеров — с помощью фемтосекундных импульсов среднего ИК диапазона (4 мкм) мы сумели впервые в мире модифицировать кремний в объёме. Ранее кремний модифицировали только на поверхности и для этого подходило любое излучение. В случае с модификацией объёма нужно, чтобы энергия фотона была меньше ширины запрещенной зоны кремния (она составляет 1 эВ), и тогда излучение не будет резонансно поглощаться. Именно поэтому излучение в 4-мкм диапазоне спектра хорошо подходит: энергия одного кванта составляет 0.25 эВ.
Дальше мы это излучение сумели жестко сфокусировать в объём кремния и заставить его поглощаться, но уже локально, за счёт нелинейного механизма поглощения. Фокусировка нужна для того, чтобы повысить интенсивность ⎼ при этом появляется возможность поглощения нескольких квантов сразу, так что суммарная энергия будет больше, чем ширина запрещенной зоны. Далее электрон, находящийся в валентной зоне, переходит в зону проводимости, и появляется плазма электронов. Эта плазма будет передавать энергию решётке (элементарные возбуждения решётки называются фононами), за счёт чего решётка будет нагреваться. Наконец, если температура решётки станет выше температуры плавления, то вы модифицируете вещество.
При этом за счёт того, что процесс сильно зависит от интенсивности лазерного излучения, область поглощения ограничена даже не размером перетяжки лазерного излучения, а еще меньшим пространственным масштабом. В результате мы создали дефекты в объёме на уровне фактически нескольких микрометров: это и просто изменение показателей преломления относительно стандартного кремния, и модификации типа полости (void-like modification). Последние возникают вследствие экстремально высокого энерговклада и формирующейся ударной волны, когда при передаче энергии от электронов решётке атомы начинают резко двигаться, и вещество выносится из центра на периферию.
Изменение показателя преломления может использоваться для записи внутри кремния объёмных элементов для интегральной фотоники (область науки, изучающая особенности передачи информации, закодированной в виде фотонов). Дальше на уровне уже самого кремния можно создавать более сложные схемы интегральных элементов, дифракционных решёток, которые особенно важны для телекоммуникационной промышленности. Там эти дифракционные решётки могут заниматься спектральным уплотнением каналов, что позволяет увеличивать пропускную способность канала. Основная проблема существующей технологии ⎼ устройства на поверхности сильно зависят от внешнего воздействия, могут деградировать. Как и в обычной электронике, если на процессор попадает пыль или грязь, устройство портится. При производстве устройств в объёме (пока фантазируем) такой проблемы не возникает. Замена поверхности на объём должно значительно повысить стабильность передачи. Это и удаётся сделать с использованием фемтосекундных импульсов среднего ИК диапазона.
Крайне важным является исследование того, как вещество, в том числе полупроводники, взаимодействуют с излучением различного спектрального состава. Важное место в развитии этого направления занимает взаимодействие с Научным исследовательским центром «Курчатовский институт», где есть возможность вести исследования в этой области, но с использованием уже синхротронного излучения, спектр которого очень широк и расположен преимущественно в рентгеновском диапазоне.
Еще одно фундаментальное применение фемтосекундных импульсов — создание новых фаз материалов. Если интенсивное излучение концентрируется в малом объёме, то возникают большие давления (вплоть до ТПа) и высокие температуры (до 10^5 кельвинов) и говорят, что возникает экстремальное состояние вещества. В стационарных условиях достичь таких состояний просто невозможно, а использование сверхкоротких лазерных импульсов обеспечивает достижение таких состояний, но динамически, нестационарно.
Есть ещё одна интересная материаловедческая задача — исследование структурной перестройки в веществе во времени. На основе состояний, которые возникают в динамике, мы можем подобрать такие параметры, чтобы потом эти состояния получать уже в стационарных условиях. Такая задача, например, крайне важна для кремния. У кремния много фаз (больше 12), и они в принципе по таблице доступны. Обычный кремний (кубический, Si-I) плох тем, что он является непрямозонным полупроводником. Такой материал не подойдёт для создания излучателей, а эффективность солнечных батарей не превышает 20%. Поэтому важно сохранить все замечательные свойства кремния и сделать его при этом прямозонным — это, например, достигается в фазе Si-III. Она еще, помимо всего прочего, обладает меньшей шириной запрещенной зоны, что позволяет поглощать в большем спектральном диапазоне.
Это хорошо, но для этого нужно научиться «нарабатывать» (создавать) фазу Si-III в достаточно больших количествах, чтобы можно было создавать большие планарные образцы. На данный момент хорошо умеют выращивать кремний с кубической кристаллической решёткой (Si-I, cubic diamond), а вот для Si-III мы только делаем попытки. Для этого нужно обладать достаточно хорошим временным разрешением, смотреть за переходными стадиями при взаимодействии излучения с веществом. У нас для этого используются стандартные методы накачки-зондирования (pump-probe), которые мы адаптируем, чтобы смотреть, как атомы решётки перестраиваются во времени. Понятно, что оптические методы плохи тем, что они напрямую никогда в жизни структуру не покажут, потому что они в первую очередь смотрят за движением электронов, а не атомов. Мы разрабатываем нелинейно-оптические методы, где можно косвенно понять, что у нас произошло движение атомов, но более правильно, конечно же, использовать рентгеновский диапазон. А для этого нужны рентгеновские импульсы, с достаточно короткой длительностью (у нас используются пикосекундные импульсы), которые мы можем смещать относительно воздействующего импульса по времени. Сейчас у нас идет большой инфраструктурный проект с НИЦ «Курчатовский институт». Это проект, поддержанный Российским научным фондом, ставит цель развивать научную инфраструктуру класса мега-сайенс для решения на ней совершенно новых научных задач. В том числе благодаря работе нашей лаборатории в Курчатовском институте появилась возможность первыми в России проводить время-разрешённые рентгено-оптические эксперименты. Это очень важно в том числе и для строительства лазера на свободных электронах в Протвино (федеральный проект «Сила»). Там мы тоже участвуем как люди, которые формулируют научную программу для таких времяразрешенных станций, поскольку заинтересованы заниматься материаловедением на переднем крае науки.
Подготовка рентгено-оптического эксперимента в НИЦ Курчатовский Институт
С какими компаниями, организациями, институтами вы сотрудничаете?
До недавнего времени у нашей лаборатории были плотные контакты с технологическим институтом в Осаке (Япония), институтом нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии Макса Борна в Берлине (Германия) и многими другими ведущими лазерными центрами мира. Если говорить о российских институтах, то мы взаимодействуем с Национальным центром физики и математики и Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики в г. Сарове, вместе прорабатываем вопросы создания источника комптоновского излучения. Также сотрудничаем с КФУ*, Институтом химии высокочистых веществ РАН, где выращивают кристаллы для лазеров, ФИАНом, Институтом прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде.
Фото с группой японских учёных во время совместной работы в лаборатории нелинейной оптики и сверхсильных световых полей
Поскольку мы занимаемся лазерами, то мы активно обсуждаем разнообразные проекты с троицкой компанией «Авеста», специализирующейся на разработке и производстве фемтосекундного лазерного оборудования. Также бывшие сотрудники лаборатории работают во многих зарубежных компаниях, например, в Spectra Physics, которая производит спектральную аппаратуру в штате Флорида в США.
Расскажите о Центре измерительных технологий и промышленной автоматизации МГУ, которым вы заведуете.
Я рассказал про научную деятельность, но еще я заведую Центром измерительных технологий и промышленных автоматизаций МГУ, где студенты 2 курса получают некие азы автоматизации. Мы учим студентов работать в системе программирования LabVIEW, которая предназначена для быстрого создания своей экспериментальной установки и перехода от идеи к непосредственной реализации. Этот язык программирования повсеместно используется учеными для автоматизации научной работы. В дальнейшем студенты могут использовать и применять навыки, полученные в Центре, на практике: в производственных компаниях или в секторе промышленности. Большое количество выпускников Центра автоматизации в свое время сертифицировались и сейчас занимают руководящие должности в крупных компаниях: Nestlé, Danone, Agilent* и др.Важно также понимать, что проекты, над которыми работает Центр, не являются искусственными. Приведу пример. Добыча железной руды с точки зрения логистики, обработки – достаточно дорогой процесс, поэтому полезно и выгодно уже на уровне ковша экскаватора иметь понимание годится ли руда для дальнейшей обработки или нет. Для этого используется гиперспектральный анализ – измерение спектра люминесценции в некотором спектральном диапазоне под воздействием излучения. Если концентрация руды в отвале превышает определенный порог, то руду можно сразу везти на производство. Такими задачами с точки зрения инженерии в том числе занимаются люди, которые заняты в Центре автоматизации.
Сейчас Центр измерительных технологий и промышленных автоматизаций МГУ участвует в крупных, критически важных для Российской Федерации проектах вместе с Росатомом, Ростехом, также мы работаем в экспертной группе по разработке научной программы в проекте «Сила». Всё это создает хорошую финансовую поддержку у людей, которые участвуют в проектах.
Система автоматизации оптической установки, разработанная в Центре и внедрённая в работу лаборатории
Как много студентов и аспирантов работает в вашей лаборатории?
В лаборатории сейчас работают 3 кандидата наук, которые могут руководить малыми группами студентов, 6 студентов 3-4 курсов обучения и 4 аспиранта. Также 3 студента 2 курса пишут свои курсовые работы в нашей лаборатории. Несмотря на загруженность я стараюсь каждому студенту уделять внимание: мы проводим лабораторный семинар, на котором в неформальной обстановке обсуждаем текущие вопросы, слушаем отчёты студентов по поводу работ, которые они выполняют. Студенты всегда находятся под пристальным вниманием со стороны старшего состава лаборатории.Лазерная физика – это сложный раздел физики, в котором работа сопряжена не только с большим количеством теоретической информации, но и созданием экспериментальных установок. В связи с этим я отношусь к работе максимально ответственно, поэтому требую и от студентов такого же отношения.
Когда студентам приходить и что нужно знать, чтобы попасть в лабораторию?
Конечно, в идеальном случае путь в лаборатории должен быть полноценным: с первого курса и до защиты кандидатской диссертации, но это не всегда так. Наша лаборатория открыта для студентов всех курсов, начиная с первого и заканчивая аспирантурой, нет никаких ограничений. Я всегда открыт к любому обсуждению, если есть какие-то идеи.Часто студенты думают, что в начале своего научного пути они только «помогают держать гаечный ключ», но это не так. Привлекая студента в лабораторию, я пытаюсь поставить ему свою уникальную задачу, с которой он пойдет дальше. Несмотря на то, что ему будут помогать и направлять, важно научить студента ассоциировать себя с этой научной задачей, поставить человеку глобальную цель, к которой он идет. И мы всегда продолжаем разговаривать с ним об этой цели, даже решая какие-то локальные задачи.
Что нужно знать, чтобы прийти в лабораторию? Наверное, нужно иметь неплохую базу по общим курсам физики, обладать аппаратом теоретической механики, уметь брать интегралы и иметь представление о численных методах. В конечном счете, вдумчиво относиться к физике и не бояться работать с новым материалом. Важно, чтобы студент умел думать и анализировать, старался развиваться и начинал полноценно участвовать в научных дискуссиях, и тогда я помогу раскрыть в человеке те грани, которые позволят построить объемную фигуру. А всему остальному мы научим; главное, чтобы были горящие глаза.
Работа со студентами
Нужно ли знать программирование для работы в лаборатории?
Мне кажется, нужно просто уметь разбираться в языках программирования, чтобы суметь что-то промоделировать или проанализировать данные. Конечно, можно анализировать вручную с помощью пакета для обработки данных Origin, это тоже нормально. Но зная программирование, вы сможете повысить свою производительность в лаборатории. Стоит отметить, что сейчас искусственный интеллект начинает встраиваться в научную деятельность. Например, в нашей области это нужно для удержания лазерного пучка на оптическом тракте или возможности стабилизировать выходные характеристики лазера. И, вероятно, в скором времени знания алгоритмов ИИ будут большим плюсом.Также у студентов второго курса есть возможность посещать занятия по альтернативному программированию по использованию среды графического программирования LabVIEW, что может помочь в автоматизации эксперимента.
Что вам больше нравится преподавать: общие курсы или кафедральные спецкурсы?
Мне всегда приятно читать «меловые» курсы, потому что студенты следят за аккуратным и строгим изложением материала. И в конечном итоге для особо пытливых умов именно такая классическая методика преподавания позволяет быстрее повышать свой уровень знаний.Сейчас я читаю большой курс по аттосекундной физике в Сарове. Я обожаю этот курс, потому что со студентами мы обсуждаем передовые технологии лазерной физики, рассматриваем очень сложные вопросы, связанные с квантовой механикой, и пытаемся углубляться не только в бесконечные формулы, но и в методику создания таких лазеров. На физфаке мы вместе с Андреем Борисовичем Савельевым-Трофимовым ведём кафедральный курс «Введение в современную лазерную физику», начиная с понятия когерентности и заканчивая фемтосекундными импульсами. Ну и важная составляющая этого курса – некая экспериментальная поддержка, возможность показать студентам, с какими сложными и интересными установками им предстоит работать уже в ближайшем будущем.
Одна из важных задач учёного в университете – просветительская деятельность и повышение уровня образования, поэтому на втором курсе я читаю общий курс «Прикладная физика волн». Я стараюсь менее математизированным языком осветить проблемы современной физики, чтобы студенты уже на младших курсах задумывались именно о физике процессов. И если удается добиться расширения физического кругозора студентов, то я считаю, что свою задачу я выполнил.
Что такое успех для ученого и как его добиться?
Успех для ученого – это, в первую очередь, понимание того, что вся его деятельность добавляет кирпичик в общее знание. Нужно настолько любить свою работу, чтобы не считать её работой. Как писал Хемингуэй: «Того, кто работает и получает удовлетворение от работы, нужда не огорчает».Фундаментальная наука достаточно непростая в смысле мотивации. Главная мотивация – это необходимость непрерывного творческого восторга. Очень важно пробовать что-то новое, пытаться быть в тренде, стремиться быть полезным для государства, в котором работаешь и, конечно, ставить перед собой глобальные задачи. Тогда успех будет гарантирован.
Контакты для связи
Фёдор Викторович Потёмкин, кабинет 3-04 (доп. 3-07, 2-16) Корпуса нелинейной оптикиE-mail: potemkin@physics.msu.ru
О научных направлениях лаборатории нелинейной оптики и сверхсильных световых полей рассказал руководитель лаборатории, доцент кафедры общей физики и волновых процессов, доктор физико-математических наук Потёмкин Фёдор Викторович.
*КФУ — Казанский федеральный университет
*1 октава — изменение частоты излучения в 2 раза
*Филаментация — явление локализации светового поля при распространении мощного фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных диэлектриках, приводящее к сильному росту нелинейно-оптического взаимодействия светового поля со средой.
*спектр на уровне кэВ — в лаборатории принято пересчитывать длины волн в электрон-вольты.
*Agilent — компания, специализирующаяся на создании осциллографов, векторных анализаторов и другой техники СВЧ-диапазона.