Лаборатория когерентной оптики: история создания

Лаборатория когерентной оптики на сайте «Фотолетопись Института физики СО РАН»

Лаборатория когерентной оптики, 1976 Лаборатория когерентной оптики (ЛКО) организована в 1976 году д.ф.-м.н. Поповым А.К. из группы, которая работала в составе лаборатории Эмиссионной спектроскопии (зав. лаб. Золотухин Г.Е.). Основное направление исследований, которое развивалось и развивается в лаборатории до сих пор, связано с резонансным взаимодействием лазерного излучения с атомами и молекулами. Популярно его можно сформулировать так. Лазерный свет — это очень хорошо организованные (когерентные) электромагнитные волны.

Такое излучение называют когерентным. В оптике существует три фундаментальных физических явления — резонанс, когерентность и интерференция. При резонансе в момент, когда внешние воздействия приближаются к частоте собственных колебаний системы, даже слабые возмущения могут очень сильно «раскачать» систему. Другие удивительные явления — когерентность и интерференция. Если наложить друг на друга два одинаковых когерентных световых потока, то вместо общего удвоения освещенности, получается, что в некоторых местах она становится нулевой (темно), а в других — в четыре раза больше (светло). Причем, явление интерференции приложимо к колебаниям любой природы (механические, световые, квантово-механические и др.). С помощью явлений резонанса, когерентности и интерференции можно на квантовом или атомарном уровнях селективно подавлять одни физические процессы и, наоборот, резко подчеркивать другие.

Например, с помощью двух лазерных излучений можно воздействовать на атомы таким образом, чтобы подавить поглощение для одного из них (эффект электромагнитно индуцированной прозрачности), а другие процессы в этот момент могут более интенсивно развиваться. В частности, в таких условиях можно нарушить симметрию в спектрах поглощения и испускания и достигнуть усиления без инверсии населенностей или увеличить эффективность нелинейных резонансных процессов, уменьшая при этом резонансное поглощение взаимодействующих полей.

Наибольшего расцвета лаборатория достигла в период с 1980 по 1990 годы. В это время проводился широкий спектр экспериментальных и теоретических исследований по преобразованию частоты лазерного излучения в различные диапазоны спектра — от инфракрасного до вакуумно-ультрафиолетового и ультрамягкого рентгеновского; лазерной нелинейной спектроскопии; светоиндуцированному дрейфу атомов и молекул в поле лазерного излучения; квантовым интерференционным эффектам. Также изучались оптические и гидродинамические процессы, сопровождающие взаимодействие импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела и при разлете лазерной плазмы. Часть работ выполнялась в рамках хоздоговорных тем с такими предприятиями как «Астрофизика» (Москва) и «Государственный оптический институт» (С.-Петербург).

Основные результаты исследований за этот период изложены в монографиях: «Лазерное индуцирование нелинейных резонансов в континууме» (Ю.И. Геллер, А.К. Попов, 1981); «Введение в нелинейную спектроскопию» (А.К. Попов, 1983); В.Г. «Нелинейное преобразование света в газах» (Архипкин, А.К. Попов, 1987); а также в обзорных статьях: «Нелинейная оптика и преобразование света в газах» (В.Г. Архипкин, А.К. Попов, УФН, 1987); «Nonlinear optics in gases: generation, upconversion and optical phase-conjugation » (V.G. Arkhipkin, A.K. Popov, Proc. of the International School «Laser and Applications», 1991, part 1, 98-123); и двух учебных пособиях по нелинейной резонансной оптике и спектроскопии: «Резонансное четырехфотонное параметрическое преобразование частоты в газообразных средах» (В.Г. Архипкин, А.К. Попов, В.П.Тимофеев, 1982); «Генерация гармоник квазимонохроматического лазерного излучения в изотропных нелинейных средах» (А.К. Попов, В.П.Тимофеев, 1982).

В период до 90-го года получены следующие результаты.

  • Показана возможность управления формой полосы усиления — поглощения СВЧ, далеких ИК и оптических переходов на основе резонансных нелинейных процессов. Развита теория интенсивных нелинейных резонансов, свободных от доплеровского уширения за счет компенсации доплеровского уширения световыми сдвигами. Эти резонансы играют важную роль в нелинейной оптике и спектроскопии, физике селективного возбуждения атомов и молекул.
  • Развита теория и предложен метод нелинейной оптической трехуровневой спектроскопии сверхвысокого разрешения на основе снятия доплеровского уширения запрещенных СВЧ и далеких ИК переходов с помощью упругих столкновений. Это приводит к возникновению резко суженных нелинейных структур на оптических переходах, которые описывают свойства запрещенных низкочастотных переходов.
  • Продемонстрирована возможность четырехфотонной параметрической генерации и регистрации генерируемого излучения в полях маломощных одночастотных газовых лазеров. На основе этого процесса предложен метод нелинейной спектроскопии и изучения процессов переноса когерентности при релаксации.
  • Развит метод спектрального анализа по спектрам рекомбинирующей лазерной плазмы, который впоследствии стал использоваться на Белоярской АЭС.
  • Изучен ряд возможностей селективного воздействия света на вещество с целью изменения его физических характеристик.
  • Развита теория эффекта светоиндуцированного дрейфа газов в поле немонохроматического излучения. Показаны преимущества использования немонохроматического излучения и выяснены условия, когда они проявляются наиболее ярко. Показаны принципиальные возможности и условия получения сверхзвуковых потоков резонансной компоненты газа.
  • Показана возможность индуцирования узких резонансов прозрачности в континууме поглощения с помощью лазеров оптического и ИК диапазонов и управления нелинейной восприимчивостью для генерации излучения в ультрафиолетовом, вакуумно-ультрафиолетовом и ультрамягком рентгеновском диапазонах. На основе этих явлений предложен метод создания затворов, управляемых оптическими импульсами, метод генерации медленных поляризованных электронов.
  • Выполнены эксперименты, в которых наблюдалось явление индуцирования нелинейных резонансов, подобных возникновению искусственных автоионизационных уровней в ионизационном континууме атомов цезия.
  • Предсказано безынверсное усиление и возможность генерации когерентного излучения коротковолнового излучения на переходах в автоионизационные и автоионизационно подобные состояния.

 

Большое внимание было уделено разработке основ резонансной нелинейной оптики газообразных сред. Эти методы особенно перспективны для расширения диапазона длин волн лазерного излучения в область жесткого ультрафиолетового, ВУФ и УМР диапазонов, а также для преобразования инфракрасных (ИК) излучений.

  • Построена теория преобразования частоты излучения на основе резонансных нелинейных процессов в газах и парах металлов. Предложено несколько схем преобразования ИК излучения в видимый и ближний ультрафиолетовый диапазоны с целью усовершенствования регистрации слабых импульсных потоков ИК излучения.
  • Исследованы возможности утроения излучения лазеров среднего ИК диапазона (в основном CO2-лазер) за счет использования резонансных нелинейностей молекул.
  • Предложены варианты квазирезонансной генерации 3-й и 5-й гармоник излучения неодимового лазера в УФ области.
  • Предложены схемы генерации набора длин волн когерентного ВУФ излучения вплоть до ?=89,6 нм и ?=71,6 нм за счет сложения и умножения частоты излучения мощного неодимового лазера. Рассмотрены возможности получения более коротковолнового излучения за счет нелинейных процессов высших порядков.
  • Выполнены эксперименты, в которых осуществлено преобразование слабых излучений всех основных типов ИК лазеров (?=10,6 мкм; ?=3,39 мкм; ?=1,15 мкм; ?=1,06 мкм) в ближний УФ диапазон в парах металлов.
  • Получена генерация третьей гармоники (?=3,2 мкм) излучения СО2 лазера (?=9,6 мкм) в криогенных молекулярных жидкостях.
  • В квазирезонансных условиях в парах цезия получена генерация третьей (?=359 нм) и пятой (?=215,4 нм) гармоник излучения неодимового лазера. В условиях двухфотонного резонанса в парах ртути получено наиболее коротковолновое в стране (на момент получения) когерентное излучение с ?=89,6 нм в переходной области от ВУФ к УМР диапазону.
  • Осуществлено прямое преобразование лазерного излучения ближнего ИК диапазона (?=1,06 мкм) в ВУФ область спектра (153,6 нм, 134 нм), используя нелинейности 7, 9 и 8-го порядков в парах ртути.
  • Предложено и экспериментально реализовано преобразование лазерного излучения инфракрасного и видимого диапазонов в УФ и ВУФ области спектра в парах молекул с сопряженными двойными связями. Показано, что нелинейные восприимчивости таких молекул сравнимы с резонансными нелинейными восприимчивостями атомов щелочных металлов.

 

Один из основателей нелинейной оптики профессор Московского университета С.А. Ахманов в предисловии к монографии В.Г.Архипкина и А.К. Попова «Нелинейное преобразование света в газах» (1987), написал: «Лаборатория когерентной оптики Института физики им. Л.В. Киренского, в которой работают авторы монографии, является одним из ведущих центров, занимающихся резонансными взаимодействиями лазерного излучения с веществом. Их работы основаны на оригинальном материале, идеях, выдвинутых и разработанных ими и их сотрудниками...» Действительно, ряд работ, выполненных в лаборатории, являются общепризнанными во всем мире. Индекс цитируемости по некоторым работам составляет 50-100 и более. В этот период Лаборатория организовала и провела Международную школу «Лазеры и их применения» (Саяногорск,1989г.), 2 Всесоюзных семинара по резонансной нелинейной оптике (Красноярск, 1978; Дивногорск, 1986). Защищено более 20 кандидатских.

Во второй половине 80-х годов в лаборатории возникло новое направление, связанное с исследованием оптических и нелинейно-оптических свойств металлических агрегатов, которые стали рассматриваться с позиций физики фракталов. Оно явилось результатом межинститутского сотрудничества ИФ с ИАиЭ СО РАН по инициативе А.К. Попова.

Совместные теоретические и экспериментальные работы привели к открытию ряда интересных эффектов, позволивших по-новому взглянуть на свойства коллоидов благородных металлов в полях нано- и пикосекундных лазерных импульсов. Особо отметим наблюдение и исследование эффекта фотомодификации фрактальных агрегатов. На этой основе был предложен новый подход к сверхплотной записи оптической информации. Кроме фотомодификации агрегатов наночастиц была обнаружена фотостимулированная агрегация золей металлов. Фотоагрегация проявляется как при воздействии на золи излучением лазерных импульсов, так и при облучении их немонохроматическим светом ламповых источников. При этом под действием света увеличивается (до 108 раз) скорость роста фрактальных структур в гидрозолях металлов.

В 2000 году в жизни лаборатории начался новый этап, так как основатель и первый заведующий лабораторией А.К.Попов уехал работать в США, а заведующим лаборатории в 2002 г. стал д.ф.-м.н. Архипкин В.Г.

В последние 15 лет исследования проводились в в следующих направлениях.

  1. Электромагнитно индуцированная прозрачность: безынверсное усиление; нелинейная оптика и преобразование частоты лазерного излучения; запись, хранение и считывание световых импульсов, управление формой лазерных импульсов.
  2. Оптические, нелинейно-оптические и фотофизические свойства золей металлов, наноструктуры. Результаты этих исследований обобщены в монографии С.В. Карпова и В.В. Слабко «Оптические и фотофизические свойства фрактально-структурированных золей металлов» (2003 г.).
  3. Оптические и спектральные свойства фотонных кристаллов с дефектом, содержащим жидкие кристаллы (совместно с лабораторией молекулярной спектроскопии), среды с электромагнитно индуцированной прозрачностью и рамановски активные среды, в том числе и среды с гигантсткой Керровской нелинейостью.
  4. Исследования нелинейных фотонных кристаллов на основе тетрабората стронция.
  5. Нелинейно-оптические процессы в метаматериалах с отрицательным показателем преломления.

 

Из результатов, полученных в этот период, укажем следующие:

  • Предложены и проанализированы несколько схем безынверсного усиления.
  • Предложен ряд эффективных схем резонансного нелинейного преобразования частоты в условиях электромагнитно индуцированной прозрачности. Изучены особенности нелинейных интерференционных процессов в квази- и полностью резонансных доплеровски уширенных оптически плотных средах. Показана возможность переключения среды от полностью непрозрачной к абсолютно прозрачной (и наоборот), или даже к сильно усиливающей, при малых изменениях параметров управляющих и пробных полей.
  • Изучены особенности распространения коротких лазерных импульсов в условиях электромагнитно индуцированной прозрачности в трехуровневых атомах. Предложен способ записи, хранения и считывания информации о коротких импульсах на этой основе. Предложен способ считывания записанного импульса с обращением во времени.
  • Предложен метод управления огибающей лазерного импульса на основе электромагнитно индуцированной прозрачности, который позволяет сжимать импульс.
  • Показана возможность одновременного получения коротких импульсов одинаковой формы, но с разными несущими частотами (согласованные импульсы).
  • Показано, что с использованием эффектов электромагнитно индуцированной прозрачности и рамановского взаимодействия можно получать управляемые узкие резонансы в пропускании фотонного кристалла.
  • Исследованы температурные зависимости поляризованных компонент спектра пропускания ФК для нормального падения света. Изучены особенности поведения спектра дефектных мод фотонного кристалла при изменении угла падения света на кристалл для двух поляризаций — параллельной и перпендикулярной направлению директора жидкого кристалла, при этом директор был ориентирован как в плоскости падения, так и перпендикулярно ей. Исследованы спектры пропускания фотонного кристалла с жидко-кристаллическим дефектом, перестраиваемые магнитным или электрическим полем.
  • Выполнены исследования свойств доменных структур тетрабората стронция (SBO) нелинейно-оптическими методами и особенностей нелинейно-оптических процессов в них. Исследована генерация второй и третьей гармоники наносекундных импульсов неодимового лазера в режиме нелинейной дифракции. Измерен спектр обратных векторов решетки и определена ориентация и форма доменов. Исследован случайный квазифазовый синхронизм при удвоении частоты второй гармоники. Исследована нелинейная дифракция излучения фемтосекундных импульсов.
  • Предложен способ компенсации потерь в материалах с отрицательным показателем преломления на основе параметрического усиления сигнальной волны. Рассмотрены случаи трех- и четырех-волнового смешения, параметрическая генерация света и нелинейное отражение (метазеркало).
  • Развита новая концепция, согласно которой наиболее важной и универсальной характеристикой фрактальных агрегатов плазмонно-резонансных наночастиц, лежащей в основе их уникальных электромагнитных свойств, является локальная анизотропия окружения частиц в таких агрегатах. Показано, что фрактальные агрегаты обладают способностью усиливать локальные электромагнитные поля лишь по причине присущей им локальной анизотропии; макроскопические характеристики агрегатов не оказывают заметного влияния на их электродинамические взаимодействия с внешним полем. Получены экспериментальные данные, подтверждающие данную концепцию.
  • Изучены закономерности изменения спектров поглощения золей серебра и их эволюция в процессе агрегации на основе учета фактора электродинамического взаимодействия частиц.
  • Сформулированы и классифицированы физические механизмы фотоагрегации различных типов золей металлов, учитывающие способ стабилизации золя и тип дисперсионной среды. Показано, что в основе механизма ускорения агрегации золей металлов под действием света лежит фотоэффект.
  • Дано объяснение гигантского усиления локальных электромагнитных полей в агрегатах металлических наночастиц на основе учета анизотропии их локальной структуры.
  • Доказано, что фрактальные агрегаты обладают способностью усиливать локальные электромагнитные поля лишь по причине присущей им локальной анизотропии. Получены экспериментальные подтверждения этой идеи.

 

За годы существование лаборатории защищено более 30 кандидатских диссертаций, а три сотрудника стали докторами наук — В.В.Слабко, В.Г.Архипкин и С.В.Карпов.