Лазерная спектроскопия и диагностика естественных сред с нелинейнооптическим откликомНИР

Laser spectroscopy and diagnostics of naturally existing media with nonlinear optical response

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Лазерная спектроскопия и диагностика естественных сред с нелинейнооптическим откликом
Результаты этапа:
2 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Лазерная спектроскопия и диагностика естественных сред с нелинейнооптическим откликом
Результаты этапа: Предложен единый метод определения параметров как квазигармонических, так и сильно искаженных волновых пакетов с широким частотно-угловым спектром. Введены абсолютные параметры световой пули - экстремально сжатого в пространстве и времени волнового пакета из нескольких оптических осцилляций, формирующегося в объеме прозрачной среды при филаментации фемтосекундного импульса среднего ИК – диапазона в условиях аномальной дисперсии групповой скорости. На основе анализа области локализации светового поля, полученной решением уравнений однонаправленного распространения импульсного излучения, впервые определены длительность и радиус световой пули. Методом широкополосной акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука проведено исследование дисперсии фазовой скорости продольных акустических волн в диапазоне от единиц до десятков мегагерц в углепластиках. Для исследованных образцов однонаправленных углепластиков с различным содержанием матрицы, наполнителя и объемной пористостью показано, что дисперсия тем сильнее, чем выше пористость материала. Полученные эмпирические зависимости относительной дисперсии скорости ультразвука от пористости углепластика могут использоваться как для контроля качества получаемых материалов с целью модернизации технологий изготовления, так и для анализа поведения конструкций из данного материала под действием внешних нагрузок. Выполненные экспериментальные исследования показывают, что использование мощных сверхкоротких импульсов среднего ИК диапазона позволяет значительно усилить широкий класс слабых плазменных нелинейностей, связанных с индуцируемыми лазерным полем внутриплазменными токами. На этой основе реализованы лазерно-плазменные схемы эффективной генерации когерентного широкополосного электромагнитного излучения ТГц- и СВЧ диапазонов – ТГц-СВЧ-суперконтинуума. Исследованы спектры комбинационного рассеяния (КР) органических полупроводников с целью установления связи транспорта заряда в кристаллических органических полупроводниках с их низкочастотным спектром комбинационного рассеяния света и возможности использования этой связи для оценки подвижности зарядов, – а также с целью изучения влияния колебаний на транспорт заряда. Исследована филаментация на протяженной атмосферной трассе при модуляции амплитудного или фазового фронта исходного фемтосекундного лазерного пучка тераваттной мощности. Для формирования филаментов на атмосферной трассе использовалось излучение тераваттной фемтосекундной лазерной системы на кристалле Ti:Sa. Длина волны составляла 805 нм, частота следования импульсов 10 Гц, диаметр пучка составлял 14 мм по FWHM, энергия в импульсе достигала 35 мДж, длительность импульса была 55 фс. Установлено, что при генерации терагерцового излучения в жидкости существенную роль играет возникающее в ней амбиполярное квазистатическое электрическое поле. Исследованы свойства терагерцового источника на основе одиночных микрокапель жидкого металла. Показано, что при генерации терагерцового излучения в газово- кластерных струях существует оптимальная длительность лазерных импульсов, при которой достигается максимум эффективности преобразования. Проведено численное моделирование рассеяния плоской эллиптически поляризованной монохроматической волны на кремниевой сферической наночастице. В результирующем световом поле вблизи частицы исследована топология лент, образуемых осями эллипсов поляризации и векторами нормали к их плоскостям. Проанализирована связь между топологическими параметрами лент и структурой CТ-и LТ-линий сингулярностей поляризации светового поля. Обнаружены и описаны ленты с коэффициентами зацепления 0, ±1/2 и ±1, топология которых зависит не только от наличия или отсутствия в рассматриваемой области пространства точек сингулярности поляризации электрического поля, но и от пространственной ориентации плоских контуров, используемых для построения лент.
3 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Лазерная спектроскопия и диагностика естественных сред с нелинейнооптическим откликом
Результаты этапа: Экспериментально исследованы КР спектры биологических молекул: ДНК, разных типов РНК, с целью установления роли низкочастотных колебаний в функционировании и конформационном состоянии биомолекул. Исследованы частотных и пространственно-временные характеристики связанных фазовой дислокацией филаментов оптического вихря фемтосекундного излучения в диэлектриках. Выполнено моделирование оптических свойств функциональных метаматериалов на основе наноструктурированных пористых сред. Разработаны методики лазерно-ультразвуковой неразрушающей диагностики трещиноватости гетерогенных породообразующих минералов, включающих в себя широкополосную акустическую спектроскопию с лазерным источником звука и лазерно-ультразвуковое исследование распределения трещин в образцах при одностороннем доступе к объекту контроля. Исследована адсорбция молекулярной среды вблизи критической точки в нанопорах разных размеров, создание методики определения плотности адсорбата в порах на основании спектроскопических измерений. Исследованы спектроскопические возможности некомпланарной схемы генерации суммарной частоты от поверхности гиротропной среды, обладающей пространственной дисперсией квадратичной нелинейности оптического отклика, эллиптически поляризованными пучков основного излучения с произвольной зависимостью интенсивности от поперечных координат, плоскости падения которых не совпадают. Разработана модель динамической конкуренции экситонного и электронно-дырочного каналов генерации центров окраски во фториде лития (LiF) при модификации показателя преломления в условиях многоимпульсного воздействия фемтосекундного излучения. Модель разработана на основе экспериментального и численного исследования динамики генерации плазмы и центров окраски в кристалле фторида лития при филаментации фемтосекундного лазерного излучения среднего ИК-диапазона в условиях аномальной дисперсии групповой скорости. Получена физическая картина филаментации фемтосекундного аксиально-несимметричного оптического вихря в кристалле LiF в режиме одиночного импульса. Числено выполнена оценка пиковой интенсивности, поверхностной плотности энергии и концентрации электронов в плазме филамента. Показано, что запутанные двухмодовые квантовые состояния света можно использовать для измерения параметров Стокса рассеивающих объектов. Квантовая фантомная поляриметрия даёт возможность определить свойства объекта с линейным дихроизмом. Показано, что нормировки вероятностного распределения фотоотсетов недостаточно для получения правильного решения с помощью обратного преобразования Бернулли. Найден критерий устойчивости решения обратной задачи статистики фотоотсчетов при низкой квантовой эффективности фотодетекторов. В рамках модели одиночного активного электрона при помощи численного решения нестационарного уравнения Шредингера было показано, что в режиме туннельной ионизации связанные состояния, поддерживаемые кулоновским потенциалом, способны генерировать гармоники высокого порядка, не описывающиеся теорией Коркума. Впервые исследована трансформация частотно угловых спектров фемтосекундного излучения при одиночной и множественной регуляризованной филаментации в атомарных и молекулярных газах. Экспериментально показано, что первичное уширение спектра импульса в ИК область происходит вследствие фазовой самомодуляции, а дальнейший сдвиг спектрального максимума в ИК область обусловлен инерционной нелинейностью молекул. Проанализированы поперечные распределения электрических полей световых пучков на утроенной частоте и на частоте 2\omega_1-\omega_2, возникающие в толще изотропной среды с кубической нелинейностью в результате распространения в ней неоднородно поляризованных световых пучков основного излучения с многомодовой поперечной структурой, описываемой суперпозицией мод Лагерра-Гаусса. Установлена связь между суммарными топологическими индексами точек сингулярности круговой поляризаций в сечениях генерируемых сигнальных пучков с аналогичными суммарными индексами в пучках основного излучения.
4 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Лазерная спектроскопия и диагностика естественных сред с нелинейнооптическим откликом
Результаты этапа: 1. На основе спектрального анализа гармоник высокого порядка, сгенерированных сверхкороткими импульсами среднего ИК диапазона, продемонстрировано рамановское рассеяние высоких гармоник, проявляющиеся вблизи частот известных колебательных переходов. Разработанный метод предоставляет инструмент однопучкового и одноимпульсного спектроскопического зондирования газов и плазмы. Выполненное исследование демонстрирует, что вынужденное рамановское усиление и поглощение могут быть распространены на полностью новый режим, в котором генерация гармоник высокого порядка и другие инструменты оптики сильных полей интегрируются с рамановским эффектом для проведения сверхбыстрых время-разрешенных спектроскопических исследований и химически селективной биовизуализации с высокой яркостью. 2. Показано, что наблюдаемая в эксперименте асимметрия угловых распределений терагерцового излучения одноцветного фемтосекундного филамента является результатом интерференции излучения диполя, индуцированного силой светового давления, и излучения квадруполя, наведенного пондеромоторной силой. 3. Создана действующая модель дискового лазерного эктацитометра эритроцитов, предназначенного для измерения дефрормируемости эритроцитов. Впервые методом лазерной эктацитометрии измерен новый реологический параметр крови – ширина распределения эритроцитов по деформируемости 4. Впервые реализована четырехцветная, четырехканальная система многофотонной микроскопии с синхронизацией подачи лазерного излучения, считывания ФЭУ и фотостимуляции. Добавление в имеющуюся систему через специальное дихроичное зеркало излучения лазера на ионах иттербия позволило закрыть брешь в спектральном диапазоне около 1.05 мкм для опроса желтых и оранжевых белков как mRuby и mCherry, которые часто используются в качестве маркеров экспрессии и не интерферируют с используемыми зелеными белками-сенсорами пероксида водорода и кислотности (HyPer7 и SypHer3s). 5. Проведена титровка двухфотонных ратиометрических ответов сенсоров пероксида водорода и кислотности (HyPer7 и SypHer3s) на растворах белков и культурах клеток HeLa. Показана возможность количественного восстановления концентрации пероксида водорода в различных компартментах клетки при измерении ратиометрического ответа HyPer7. 6. Продемонстрирована двух- и трехфотонная визуализация HyPer7 в цитоплазме и митохондриях нейронов, а также астроцитах переживающих срезов мозга. Анализ поперечных и продольных профилей отдельных отростков и митохондрий показал более высокий темп ухудшение разрешения двухфотонной микроскопии, чем трехфотонной. 7. На основе спектроскопии когерентного антистоксового рассеяния света (КАРС) реализована комплексная диагностика адсорбции в малых мезопорах. Решение обратной задачи о восстановлении фазовой композиции в порах по спектроскопическим данным позволило количественно описать поведение молекулярной среды на всех стадиях адсорбции. 8. Показано, что низкочастотная спектроскопия КР является мощным инструментом для предсказания и оценки важнейшего параметра для органических биомолекул ДНК и РНК - компактизации молекул. Более компактные молекулы нуклеиновых кислот демонстрируют более низкую относительную интенсивность НЧ области КР спектра по сравнению с менее компактными. 9. Экспериментально реализован метод широкополосной акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука для измерения коэффициента затухания и фазовой скорости продольных ультразвуковых волн в образцах метапесчаников из разных месторождений, сформированных в различных геотермальных условиях. Продемонстрирована связь между частотными зависимостями коэффициента затухания и характерными особенностями структуры метапесчаников в каждом конкретном месторождении. 10. Разработан лазерный оптико-акустический метод количественной оценки локальной пористости в углепластиковых конструкциях по величине фазовой скорости распространяющихся в них продольных ультразвуковых волн. Продемонстрирована возможность получения распределений величин локальной пористости в исследуемом участке конструкции на примере трех стрингерных панелей. Показано наличие в исследованных панелях областей с существенным разбросом величины локальной пористости. 11. Разработан численный подход на основе молекулярной динамики в сочетании с двухтемпературной моделью, который качественно предсказывает динамику структурных превращений кремния, подвергшемуся интенсивному фемтосекундному лазерном воздействию. 12. Показано, что модифицированная область кремния представляет собой микрократер, в основании (поверхностная и приповерхностная области) которого аморфный кремний. На периферии кратера, а также в объеме в области сдвиговых деформаций образуются включения фаз Si-III и Si-XII. Данные фазы образуются в результате каскада фазовых переходов Si-I=>Si-II=>Si-XI=>Si-III/Si-XII. 13. Установлено, что фазовые переходы инициируются за счет лазерно-индуцированной ударной волны (давления на фронте ~ 50 ГПа). Ударные волны смещают атомы в решетке более чем на 1 А, что приводит к возникновению напряжений в решетке, которые в свою очередь приводят либо к сдвиговым деформациям, либо к фазовым переходам. 14. Продемонстрировано, что фазовые переходы происходят за фронтом ударной волны, а последующий лазерно-индуцированный нагрев (~ 2000 К непосредственно в области лазерного воздействия и ~ 100 К в большей части остального материала) кристаллической решетки приводит к разрушению «замороженных» метастабильных фаз Si-III/Si-XII, которые остаются локализованными лишь в областях, где нагрев был меньше (периферия) или, где сохранились остаточные напряжения. 15. Экспериментально установлено, что при спонтанном параметрическом рассеянии света выбором состояния поляризации волны накачки можно улучшить степень запутанности поляризационных состояний компонент рассеянного света. Продемонстрировано, что с помощью фантомной волоконной визуализации можно получить изображение биологических объектов. 16. Предложен и обоснован подход к отбору кристаллических сред для эффективной генерации узкополосного терагерцового излучения, сформулированы критерии/признаки отбора, а именно: наличие колебательных мод на терагерцовых частотах; одновременная ИК- и КР- активность этих мод; достаточно высокая добротность этих мод для преобладания эффектов усиления нелинейности над диссипативным поглощением. Предложенный подход апробирован на примере молекулярного монокристалла гидрофосфита гуанилмочевины (NH2)2CNHCO(NH2)H2PO3 (GUHP). Показано, что молекулярный монокристалл GUHP является эффективным источником узкополосного терагерцового излучения с широким диапазоном перестройки по частоте. 17. Для тонких пленок GeTe2, выращенных методом импульсного лазерного осаждения, показано, что диэлектрическая проницаемость аморфного и кристаллического состояния в терагерцовом диапазоне хорошо описывается моделью Друде. При этом разница электрической проводимости GeTe2 в аморфном и кристаллическом состояниях превышает 7 порядков величины, что существенно превосходит контраст проводимости при фазовом переходе металл - изолятор для VO2, GST и GеTе. 18. На основе пленок GeTe2, выращенных методом импульсного лазерного осаждения, спроектирована и изготовлена динамическая периодическая метаструктура, настройка резонансной частоты которой осуществляется за счет светоиндуцированной реакции кристаллизации. Определены маркеры кристаллизации, позволяющие сделать вывод о фазовом состоянии изготовленной метаструктуры. Пик в спектре комбинационного рассеяния, соответствующий 155 см-1 и связанный с Те-Те связями полностью исчезает при кристаллизации структуры. 19. Разработана экспериментальная процедура для выявления комплекса психофизиологических индикаторов, необходимых и достаточных для определения специфики стрессового расстройства, которая включает в себя ряд психологических и психофизиологических диагностических процедур. 20. Показано, что наличие мультипликативных амплитудно-фазовых шумов при распространении гауссова пучка через спиральную фазовую пластинку приводит к формированию в фокальной плоскости собирающей линзы аксиально-несимметричного вихревого пучка. При относительно небольшой дисперсии флуктуаций порядка нескольких процентов на кольцевом профиле оптического вихря с наибольшей вероятностью образуются две горячие точки. 21. Разработка эффективных алгоритмов обнаружения и визуализации линий сингулярности поляризации электромагнитного поля и оптических лент поляризации в численном эксперименте. Исследование топологии линий сингулярности поляризации и оптических лент, возникающих при рассеянии монохроматической эллиптически поляризованной волны на структурах субволнового масштаба и при фокусировке лазерного излучения. 22. Исследование перспектив применения электромагнитных полей, обладающих сингулярностями поляризации, для определения характеристик вещества, демонстрирующего нелинейный оптический отклик на световое поле.
5 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Лазерная спектроскопия и диагностика естественных сред с нелинейнооптическим откликом
Результаты этапа:
6 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Лазерная спектроскопия и диагностика естественных сред с нелинейнооптическим откликом
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".