Лаборатория когерентной оптики: история создания

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

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.

Электромагнитно индуцированная прозрачность: безынверсное усиление; нелинейная оптика и преобразование частоты лазерного излучения; запись, хранение и считывание световых импульсов, управление формой лазерных импульсов.
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.).
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.
Исследования нелинейных фотонных кристаллов на основе тетрабората стронция.
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.