08.11.2023 (12:15) Семинар ИОФ РАН "Актуальная физика", № 11

С приглашённым докладом «Блоховские поверхностные волны и диэлектрическая нанофотоника» выступит Андрей Анатольевич Федянин, доктор физико-математических наук, профессор РАН, проректор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (МГУ), заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ. 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, д.ф.-м.н., профессор

2. А.А. Федянин, д.ф.-м.н., профессор РАН

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

Современные фотонные интегральные платформы должны сочетать в себе управление светом с низкими потерями, спектральную гибкость и плотную упаковку оптических компонентов. Одна из известных платформ представляет собой диэлектрические наноструктуры с фотонной запрещенной средой, которые поддерживают генерацию поверхностных электромагнитных блоховских волн с низкими оптическими потерями. Блоховские волны являются полностью диэлектрическим аналогом поверхностных плазмон-поляритонов, но имеют преимущества большой длины распространения (до см в видимом диапазоне) и широкого спектрального диапазона возбуждения (от УФ до среднего ИК и ТГц). Пространственная локализация электромагнитного поля блоховских волн делает их применимыми для создания перспективных устройств фотоники, сенсорики и других областей. В настоящем докладе рассмотрено несколько способов направленного высокоэффективного возбуждения блоховских волн с использованием диэлектрических наноструктур различной конструкции на поверхности фотонных кристаллов, а также новые физические явления, возникающие при генерации и распространении блоховских поверхностных волн.

3. А.Г. Папашвили, Ю.А. Кочуков, Д.П. Терещенко, С.Н. Сметанин, П.Д. Харитонова, В.E. Шукшин, Е.Э. Дунаева, И.С. Воронина, Л.И. Ивлева
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия

Существенно нестационарное вынужденное комбинационное рассеяние в кристалле SrMoO4 под действием ультракоротких лазерных импульсов накачки с контролируемым чирпом

Презентация

На конкурс представлена статья:
A.G. Papashvili, Yu.A. Kochukov, D.P. Tereshchenko, S.N. Smetanin, P.D. Kharitonova, V.E. Shukshin, L.I. Ivleva, E.E. Dunaeva, I.S. Voronina. Highly transient stimulated Raman scattering in SrMoO4 under ultrafast laser pumping with a controllable chirp. Optics Letters, Vol. 48, No. 17 / September 2023 / P. 4528-4531. DOI: 10.1364/OL.499428

В настоящей работе представлена первая демонстрация эффективного однопроходного нелинейного преобразования частоты излучения субпикосекундного (0.25 пс) лазера с длиной волны 1030 нм в серию близко расположенных стоксовых компонент излучения в диапазоне длин волн 1066-1261 нм при существенно нестационарном вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) в кристалле SrMoO4 в условиях конкуренции с процессами нелинейной фазовой модуляции. Полученный простой многоволновой источник ультракоротких импульсов излучения имеет практическую значимость для обеспечения существенного увеличения глубины и контраста флуоресцентной микроскопии живых тканей при многоволновом двухфотонном возбуждении различных флуорофоров в терапевтическом окне прозрачности биологических тканей (1000-1300 нм). Известно [L.L. Losev et al. Opt. Lett. 27, 2100 (2002)], что в твердых телах существенно нестационарное ВКР, отличающееся более короткой длительностью импульса накачки, чем время фазовой релаксации колебательного резонанса, подавляется из-за фазовой самомодуляции излучения накачки и фазовой кросс-модуляции стоксова ВКР-излучения. В настоящей работе мы впервые преодолели данную научную проблему при использовании контролируемого чирпирования импульса накачки, компенсирующего чирп нелинейной фазовой модуляции, в условиях формирования длинного филамента в кристалле при пиковой мощности накачки, превышающей критическую мощность самофокусировки (> 1 МВт). Это позволило получить многоволновое ВКР в длинном кристалле SrMoO₄ (длина 58 мм) с комбинированным сдвигом частоты не только на первичном высокочастотном (888 см^–1), но и вторичном низкочастотном (327 см^–1) колебательных резонансах среды при суммарной эффективности ВКР-преобразования до 48 % при длительности отрицательно чирпированного импульса накачки, близкой к времени фазовой релаксации первичного колебательного резонанса (4 пс). Меньшая длительность импульса накачки 2-3 пс (тоже при отрицательном чирпе), являющаяся промежуточной между временами фазовой релаксации (4 и 1 пс) первичного и вторичного колебательных резонансов среды, оказалась оптимальной для ВКР с низкочастотным сдвигом на вторичном колебательном резонансе среды. Так, при длительности отрицательно чирпированного импульса накачки 3 пс и его энергии 33.4 мкДж (длина волны 1030 нм) получено ВКР на длинах волн 1066 нм (низкочастотный сдвиг 327 см^–1), 1134 нм (высокочастотный сдвиг 888 см^–1), 1177 нм (комбинированный сдвиг 888 + 327 см^–1) и 1261 нм (двойной высокочастотный сдвиг 888 + 888 см^–1) с энергиями импульса 3.5, 7.3, 2.5 и 1.2 мкДж соответственно.

4. А.В. Гладышев, Д.Г. Комиссаров, С.М. Нефедов, А.Ф. Косолапов, В.В. Вельмискин, А.П. Минеев, И.А. Буфетов
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия

Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой

Презентация

На конкурс представлена статья:
Гладышев А.В., Комиссаров Д.Г., Нефедов С.М., Косолапов А.Ф., Вельмискин В.В., Минеев А.П., Буфетов И.А. "Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой", Краткие сообщения по физике ФИАН, №9, с. 62 (2023). ([Перевод] A.V. Gladyshev, D.G. Komissarov, S.M. Nefedov, A.F. Kosolapov, V.V. Velmiskin, A.P. Mineev, I.A. Bufetov, «Gas-Discharge Fiber Laser with Microwave Pumping», Bulletin of the Lebedev Physics Institute, Vol. 50, No. 9 (2023).) DOI: 10.3103/S1068335623090038

Создание световодов с полой сердцевиной (СПС) открыло путь к разработке лазеров нового типа: газовых волоконных лазеров (ГВЛ). Используя в качестве активной среды газ, заполняющий сердцевину СПС, такие источники излучения могут объединить в себе преимущества как волоконных лазеров (компактность, низкий порог генерации, одномодовое излучение), так и газовых лазеров (высокая выходная мощность, малая ширина линии генерации).
До настоящего времени ГВЛ были реализованы только с оптической (лазерной) накачкой, при этом заполненный газом СПС фактически выполнял роль преобразователя длины волны накачки. Однако для того, чтобы в полной мере реализовать возможности полых световодов необходимо решить задачу генерации лазерного излучения непосредственно в СПС. Данная цель в принципе может быть достигнута при условии создания газоразрядных волоконных лазеров (ГРВЛ), в которых активной средой является плазма газового разряда, возбуждаемого в СПС. Попытки создания таких лазеров предпринимались исследователями в течение последних 15 лет, но лазерная генерация не была получена.
В результате совместных исследований, выполненных сотрудниками НЦВО РАН и отдела ВКИВ ИОФ РАН, впервые в мире создан газоразрядный волоконный лазер, возбуждаемый СВЧ-разрядом. Ксеноновый лазер работал на газовой смеси Xe:Ar:He=1:10:100 при давлении 130 торр. Разряд в отрезке СПС длиной 32 см и диаметром сердцевины 130 мкм возбуждался импульсным СВЧ излучением с частотой 2,45 ГГц (длительность импульса 20 мкс, частота следования импульсов 400 Гц, средняя СВЧ мощность менее 20 Вт). Получена лазерная генерация с максимальной мощностью ~1 мВт на длине волны излучения атома ксенона 2,027 мкм.
Данный результат был достигнут не в последнюю очередь благодаря предложенной авторами новой схеме возбуждения протяженного разряда в СПС, подобной щелевой антенне в СВЧ-волноводе. Схема допускает возможность дальнейшего совершенствования конструкции лазеров при масштабировании как длины разряда в СПС, так и выходной лазерной мощности, и создания нового поколения более компактных и эффективных ГРВЛ на различных газах (например, Ne, Kr, Ar, Xe) и их смесях. Особый интерес представляет дальнейшее продвижение в средний ИК диапазон (например, на Хе возможно получение генерации в диапазоне длин волн 1,73 - 3,65 мкм). ГРВЛ, обладающие преимуществами и волоконных, и газоразрядных лазеров, найдут многочисленные применения в различных областях науки и техники.

5. В. Колташев (1), М. Фролов (2), С. Леонов (2), С. Сверчков (3), Б. Галаган (3), Ю. Коростелин (2), Я. Скасырский (2), Г. Снопатин (4), М. Суханов (4), А. Вельмужов (4), В. Козловский (2), Б. Денкер (3), В. Плотниченко (1)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова, Москва, Россия
(2) Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
(3) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(4) Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, Нижний Новгород, Россия

Характеристики непрерывного ~ 5 мкм лазера на легированном Ce³⁺ халькогенидном световоде

Презентация

На конкурс представлена статья:
V.V. Koltashev, M.P. Frolov, S.O. Leonov, S.E. Sverchkov, B.I. Galagan, Yu.V. Korostelin, Ya.K. Skasyrsky, G.E. Snopatin, M.V. Sukhanov, A.P. Velmuzhov, V.I. Kozlovsky, B.I. Denker, V.G. Plotnichenko, "Characteristics of a CW ~ 5 μm Ce³⁺-doped chalcogenide glass fiber laser", Laser Physics Letters v. 20, #9, (2023), 095801, DOI 10.1088/1612-202X/ace9ce.

В статье впервые продемонстрирован непрерывный волоконный лазер на основе халькогенидного стекла, активированного ионами Ce³⁺. Лазер работает при комнатной температуре в диапазоне ~ 5 мкм. Работа имеет приоритетный характер из-за острой конкуренции с несколькими зарубежными исследовательскими группами и, в первую очередь, с интернациональной группой профессора A. Seddon из Нотингемского университета (Великобритания).
В качестве источника накачки был применен непрерывный 4.16 мкм лазер на кристалле Fe²⁺:ZnSe, который накачивался волоконным лазером на фторидном стекле Er³⁺:ZBLAN. Были исследованы спектральные и временные особенности работы такого лазера. В случае низкой добротности резонатора лазер работал на длине волны λ = 4,62 мкм, соответствующей узкому пику в спектре люминесценции. При более высокой добротности длина волны генерации перескакивала на 5,0 - 5,1 мкм, что соответствует плато на расчетных спектрах усиления. Кинетика генерации созданного лазера выглядела следующим образом: через несколько миллисекунд после включения накачки и появления затухающих по амплитуде пичков, лазер начинал генерировать непрерывное излучение. В отличие от ~ 5 мкм тербиевого халькогенидного волоконного лазера, который генерирует цуг пичков, что связано с процессами ап-конверсии с участием высоколежащего ⁷F₃ уровня Tb³⁺ по схеме ⁷F₅+⁷F₅→⁷F₃+⁷F₆, цериевый халькогенидный волоконный лазер генерирует непрерывное излучение при комнатной температуре, благодаря очень простой структуре энергетического уровня Ce³⁺.
Полученные результаты открывают возможности к практическому использованию таких лазеров. Одним из применений является лазерная спектроскопия, которая позволяет обнаруживать следы химических соединений, имеющих характерные полосы поглощения в средней инфракрасной области спектра.

6. А.А. Александров (1, 2), Л.А. Петрова (1, 3), Д.В. Поминова (1), И.Д. Романишкин (1), М.В. Цыганкова (3), С.В. Кузнецов (1), В.К. Иванов (2), П.П. Фёдоров (1)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия
(3) МИРЭА — Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова), Москва, Россия

Новая фторидная матрица для двухдиапазонных оптических сенсоров и визуализации

Презентация

На конкурс представлена статья:
Alexander A. Alexandrov, Lada A. Petrova, Daria V. Pominova, Igor D. Romanishkin, Maria V. Tsygankova, Sergey V. Kuznetsov, Vladimir K. Ivanov, Pavel P. Fedorov. Novel Fluoride Matrix for Dual-Range Optical Sensors and Visualization // Applied Sciences. 2023. V. 13. 9999. DOI: 10.3390/app13189999

Люминесцентная термометрия является эффективным бесконтактным способом измерения температуры для применения в биологии, медицине, микроэлектронике и катализе, где контактные измерения затруднены. Материалы, легированные редкоземельными ионами (РЗИ), в частности ап-конверсионные частицы, перспективны для создания оптических термосенсоров, благодаря узким полосам люминесценции, фото- и химической стабильности.
Для получения высокочувствительных термосенсоров необходимы материалы с высоким квантовым выходом люминесценции. В связи с чем разработка новых матриц для последующего легирования целевыми ионами является актуальной задачей материаловедения. Одной из самых популярных матриц для легирования РЗИ являются фториды щелочноземельных элементов, так как они влагостойкие и обладают низкой энергией фононов, за счет чего возможно достижение высоких квантовых выходов люминесценции при легировании РЗИ. Добиться уменьшения энергии фононов матрицы и, соответственно, повышения квантового выхода люминесценции, можно за счет увеличения молекулярной массы вещества. Целью данной работы был поиск новой «тяжёлой» матрицы в системе фторид бария – фторид гадолиния и исследование её характеристик.
Методом осаждения в нитратных расплавах была выявлена и идентифицирована новая фаза Ba_0.5−xGd_0.5Na_xF_2.5−x (x = 0.08) тетрагональной сингонии (a = 4.122(1) Å, c = 17.672(1) Å) c рентгенографической плотностью более 6 г/см³. Определены воспроизводимые условия синтеза порошков (500 °С, 1 час выдержки) с бимодальным распределением размеров частиц, которые не гигроскопичны на воздухе до 210 °C и устойчивы в атмосфере аргона до 960 °C.
При тройном легировании новой матрицы ионами Yb³⁺, Ho³⁺ и Er³⁺ зарегистрированы спектры ап-конверсионной люминесценции при возбуждении в полосу поглощения иттербия и определены коэффициенты относительной температурной чувствительности в видимом (5.55 %×K⁻¹) и коротковолновом инфракрасном (0.34 %×K⁻¹) диапазонах спектра. Достигнутые величины относительной чувствительности находятся на мировом уровне.

7. А.Г. Франк (1), А.В. Артемьев (2), С. Лу (3,4), К.-Д. Жанг (2,5), Н.П. Кирий (1)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Институт изучения Земли, Планет и Космоса, Университет Калифорнии в Лос Анджелесе, Лос Анджелес, Калифорния, США
(3) Академия Наук Китая, Главная Лаборатория по изучению околоземного пространства, факультет исследования Земли и Космоса, Китайский Научно-Технологический Университет, Хефей, Анхуи, Китай
(4) Академия Наук Китая, Центр изучения сравнительной планетологии, Хефей, Анхуи, Китай
(5) Физический факультет Университета Техаса в Далласе, Ричардсон, Техас, США

Электрические токи в плазменных струях, возникающих в области магнитного пересоединения: сравнительное исследование лабораторных экспериментов и спутниковых наблюдений

Презентация

На конкурс представлена статья:
Anna G Frank, Anton V Artemyev, San Lu, Xiao-Jia Zhang, Natalia Kyrie, «Currents in reconnection plasma jets: comparative study of laboratory experiments and spacecraft observations», Plasma Physics and Controlled Fusion. – 2023. – Vol. 65. – No. 9. P. 095006. DOI: 10.1088/1361-6587/ace73a
Аннотация
Работа посвящена анализу и сопоставлению процессов в токовом слое хвостовой области магнитосферы Земли и в токовых слоях, создаваемых в Отделе физики плазмы ИОФ РАН с помощью установки ТС-3D. Токовые слои – это двумерные магнитоплазменные структуры, в окрестности которых концентрируется значительный запас магнитной энергии. При определённых условиях возможна быстрая трансформация этой энергии в кинетическую и тепловую энергию плазмы, в потоки высокоэнергичных частиц и излучений.
Значительный интерес представляет анализ динамики направленных плазменных потоков, которые распространяются в токовых слоях, и энергия которых существенно превышает тепловую энергию. Сверхтепловые потоки плазмы имеют ограниченную длительность, порядка 5-10 сек в хвостовой области магнитосферы при движении по направлению к Земле, и ≈ 2-3 мксек в лабораторных условиях, т.е. имеют характер сравнительно коротких плазменных струй.
На основании детального анализа эволюции магнитных полей, электрических токов и потоков плазмы в токовых слоях, формируемых в лабораторных экспериментах, было установлено, что на определенном этапе эволюции у боковых концов токового слоя возникают электрические токи, направленные противоположно по отношению к токам в основной части слоя. Генерация токов обратного направления приводит к появлению дополнительных сил, вызывающих торможение плазменных потоков, и, как следствие – ограничение их длительности. Эти результаты позволили предположить, что ограничение длительности плазменных потоков в магнитосфере Земли также может быть обусловлено появлением токов обратного направления.
В настоящей работе было впервые проведено сопоставление токовых структур в лабораторных токовых слоях и в магнитосферном токовом слое. Обнаружено появление токов обратного направления на фронтах плазменных потоков, распространяющихся в хвостовой области магнитосферы по направлению к Земле, что согласуется с результатами лабораторных экспериментов. Отсюда следует, что обратные токи должны оказывать влияние на динамику потоков плазмы и в магнитосфере Земли, а регистрируемое многими спутниковыми миссиями ограничение длительности магнитосферных плазменных потоков может быть обусловлено возбуждением электрических токов обратного направления.
Таким образом, подтверждается общность фундаментальных физических процессов в магнитосферных и лабораторных токовых слоях. Это имеет существенное значение для обоснования возможностей лабораторного моделирования явлений в космическом пространстве, а также стимулирует появление новых идей для интерпретации спутниковых наблюдений на основе результатов лабораторных экспериментов.

____________________________________________________________________________________________