11.10.2023 (13:00) Семинар ИОФ РАН "Актуальная физика", № 10

С приглашённым докладом «Настольные лазерно-плазменные ускорители электронов и их применение» выступит Андрей Борисович Савельев-Трофимов, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Регламент выступления – 1 час (40 минут доклад, 20 минут вопросы).
Будет проведено награждение грамотами победителей конкурса лучших работ, опубликованных учёными ИОФ РАН. Регламент – 10 минут.
Будут представлены доклады по лучшим работам, опубликованным учёными ИОФ РАН, отобранные комиссией Учёного Совета ИОФ РАН. Регламент конкурсных выступлений – не более 15 мин доклад и 5 мин – обязательная дискуссия.

Программа семинара:

1. С.В. Демишев, доктор физико-математических наук, профессор

Награждение грамотами победителей конкурса лучших работ, опубликованных учёными ИОФ РАН

2. А.Б. Савельев-Трофимов, доктор физико-математических наук, профессор

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Лазерно-плазменное ускорение электронов – одно из стратегических направлений развития современной лазерной физики. Наибольшее внимание, как правило, привлекают исследования, направленные на получение максимальных, рекордных энергий электронных пучков, сравнимых (или даже в перспективе превосходящих) с энергиями, получаемыми на традиционных ускорителях. Вместе с тем, большие возможности с точки зрения широкого спектра задач имеют компактные ускорители частиц, имеющие не столь высокую энергию, но значительно больший средний ток пучка. Нами рассмотрены основные результаты, полученные при расчётно-экспериментальных исследованиях ускорения электронов с использованием тераваттного фемтосекундного лазерного комплекса на физическом факультете МГУ. Обсуждаются как ключевые механизмы ускорения и параметры электронных пучков, так и целый ряд применений этих пучков в ядерной фотонике и генерации униполярных терагерцевых импульсов большой амплитуды. Рассмотрены возможности масштабирования развиваемых подходов для лазеров с большей пиковой мощностью.

3. И. М. Ахмеджанов, Д. В. Баранов, Б. А. Усиевич
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия

Сверхразрешение на фазовом изображении π-фазовой ступеньки на плазмонной метаповерхности с использованием дифференциального гетеродинного микроскопа

Презентация

На конкурс представлена статья:
I. M. Akhmedzhanov, D. V. Baranov, B. A. Usievich. Superresolution in phase image of π-phase step on plasmonic metasurface using differential heterodyne microscope. Optical Engineering, Vol. 62, No. 8 / August 2023 / 084102 DOI: 10.1117/1.OE.62.8.084102
В работе применяется сканирующий дифференциальный гетеродинный микроскоп (СДГМ), что дает возможность получения амплитудно-фазового изображения исследуемого объекта. Основным результатом работы является экспериментальная демонстрация эффекта сверхразрешения на фазовом отклике СДГМ для одиночного фазового объекта ступенчатого типа с фазовым перепадом ~180°, сформированного на основе плазмонной метаповерхности, а также демонстрация возможности управления шириной фазового отклика на подобный объект с помощью изменения гетеродинной частоты микроскопа. Проведенное исследование показало, что характерная ширина фазового отклика может быть существенно меньше характерной ширины амплитудного отклика. Так как ширина амплитудного отклика СДГМ является дифракционно-ограниченной, мы интерпретируем этот эффект как сверхразрешение. Количественно эффект сверхразрешения в данном случае характеризуется коэффициентом сверхразрешения, равным отношению ширины амплитудного и фазового отклика. Измерения проводились на длине волны 633 нм. Минимальная зарегистрированная ширина фазового отклика СДГМ составила 0.2 мкм, а минимальная ширина амплитудного отклика – 1.3 мкм. Коэффициент сверхразрешения при этом равен 6.5. Исследуемый образец представляет собой композитную бинарную решеточную структуру, сформированную на основе плазмонной метаповерхности типа металл-диэлектрик-металл и диэлектрической пленки. Метаповерхность является периодической двумерной матрицей оптических плазмонных микрорезонаторов щелевого типа (металл-диэлектрик-металл) с металлическими (Au) наноэлементами размером 150 нм х 300 нм [1].
Научная новизна работы состоит в том, что исследованный эффект сверхразрешения на фазовом отклике был впервые продемонстрирован для композитного объекта, на котором скачок фазы 180° формировался с использованием плазмонной метаповерхности, а также в демонстрации возможности управления шириной фазового отклика путем изменения гетеродинной частоты микроскопа.
В прикладном аспекте продемонстрированный эффект сверхразрешения может найти применение как один из возможных подходов к созданию реперных меток в системах прецизионного оптического позиционирования в оптической литографии [2].
[1] R. Deshpande, A. Pors, and S. I. Bozhevolnyi, "Third-order gap plasmon based metasurfaces for visible light," Opt. Express 25(11), 12508–12517 (2017) https:/doi.org/10.1364/OE.25.012508
[2] W. Zhou and L. Cai, "Zero and direction reference mark based on phase jump," Opt. Eng. 40(2), 289–294 (2001) https:/doi.org/10.1117/1.1336525

4. С.А. Баренгольц (1,2,3), Г.А. Месяц (2)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Российская Федерация
(2) Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Российская Федерация
(3) Институт электрофизики Уральского отделения РАН, Российская Федерация

Взрывоэмиссионные процессы в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы и линейных электрон-позитронных коллайдерах

Презентация

На конкурс представлена статья:
С.А. Баренгольц, Г.А. Месяц. Взрывоэмиссионные процессы в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы и линейных электрон-позитронных коллайдерах. // Успехи физических наук. Т. 193, № 7, 2023, С. 751-769. DOI: 10.3367/UFNr.2022.02.039163.
Представленные в работе результаты имеют непосредственное отношение к наиболее крупным международным научным проектам, реализуемыми в настоящее время или находящимися в стадии окончательной разработки, являются проект «Международный экспериментальный термоядерный реактор» (ИТЭР) и проект создания линейного электрон-позитронного коллайдера – Компактный Линейный Коллайдер (КЛИК). Эти проекты, имеющие совершенно различные цели и задачи, способы их достижения, объединяет одна проблема, а именно инициирование электроразрядных процессов на поверхности, контактирующей с высокотемпературной плазмой (ИТЭР), и на поверхности ускоряющих структур, подвергающихся воздействию радиочастотной электромагнитной волны (КЛИК). В первом случае возникает униполярная дуга, которая является источником разного рода примесей, загрязняющих термоядерную плазму, таких как жидкометаллические капли, микрочастицы, низкотемпературные атомы и ионы, и т.д. Во втором случае инициирование вакуумного пробоя приводит к появлению значительных эмиссионных токов с поверхности ускоряющей структуры, вплоть до десятков-сотен ампер, наводимые этими токами магнитные поля и поглощение энергии электромагнитной волны при пробое могут привести к резкому уменьшению светимости линейного коллайдера. Электроразрядные процессы в этих установках рассмотрены с использованием модели взрывной электронной эмиссии, основанной на аналогии с электрическим взрывом проводников. Приведены результаты исследования структуры катодного пятна и эрозионные характеристики дугового разряда на наноструктурированной поверхности вольфрама (W-fuzz), сформированной в результате плазменных нагрузок в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы. Получены оценки параметров инициирования и представлены результаты моделирования предпробойных и микровзрывных процессов при радиочастотном вакуумном пробое. Показано, что основной причиной реализации взрывоэмиссионных процессов является изменение структуры и свойств поверхности под воздействием электромагнитных волн и контактирующей с поверхностью металла гелиевой плазмой. Однако, если во втором случае это изменение масштабное и легко наблюдаемое, то в первом случае оно носит локальный характер и его причина остается предметом дискуссии. В качестве такой причины могут быть и усталость поверхности, нагрев неоднородностей переменным магнитным полем, накопление дислокаций, расплав поверхности и т.д.

5. Д.С. Чунаев (1), С.Б. Кравцов (1), В.Е. Шукшин (1), В.Д. Григорьева (2), В.Н. Шлегель (2), П.Г. Зверев (1)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, Новосибирск, Россия

Конкуренция между нелинейными процессами, возбуждаемыми пикосекундными лазерными импульсами в ВКР-активном кристалле натриевого дивольфрамата, для двух поляризаций возбуждения

Презентация

На конкурс представлена статья:
Dmitry S. Chunaev, Sergey B. Kravtsov, Vladislav E. Shukshin, Veronika D. Grigorieva, Vladimir N. Shlegel, Petr G. Zverev, “Competition between nonlinear processes excited by picosecond laser pulses in disodium ditungstate Raman crystal for two excitation polarizations”, Laser Physics Letters, vol. 20, No 6, p.065401. DOI: 10.1088/1612-202x/accf75
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1612-202X/accf75/meta
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) позволяет получать лазерное излучение в новых, ранее недоступных спектральных областях спектра за счет сдвига частоты на величину, кратную частоте ВКР-активного фонона. Однако процесс ВКР для лазеров, работающих в синей и зеленой области спектра, может быть подавлен конкурирующими нелинейными процессами. В данной работе теоретически и экспериментально исследованы два нелинейных процесса, а именно: двухфотонное поглощение (ДФП) и ВКР при возбуждении импульсным излучением на длине волны 523,5 нм. В качестве объекта исследований был выбран кристалл дивольфрамата натрия (Na2W2O7), в котором из-за анизотропии кристаллической структуры оптическая ширина запрещенной зоны сильно зависит от направления и поляризации проходящего излучения. Экспериментальные исследования проводились с помощью экспресс-методики, основанной на использовании цугов пикосекундных лазерных импульсов с плавно изменяющейся амплитудой. Эта методика позволяет измерять характеристики нелинейного процесса за один цуг импульсов. В результате было обнаружено, что коэффициент двухфотонного поглощения на длине волны 523,5 нм сильно зависит от ориентации кристалла. Для излучения, распространяющегося вдоль кристаллографической оси с и поляризованного параллельно оси а, величина экспериментально измеренного коэффициента ДФП составила 1,28 см/ГВт; при этом никакого процесса ВКР зарегистрировано не было. Однако для поляризации, параллельной оси b, заметный эффект ДФП обнаружен не был, и наблюдался процесс ВКР с коэффициентом ВКР-усиления 6,5 см/ГВт. Это первая демонстрация конкуренции двух нелинейных процессов в одном кристалле в зависимости от его ориентации. Таким образом, в работе показано, что явление ДФП необходимо учитывать при разработке ВКР-лазеров, работающих в видимом и ближнем ультрафиолетовом спектральных диапазонах. Применение обнаруженного эффекта в перспективе позволяет разработать индикатор состояния поляризации ультракоротких световых импульсов.