Лаборатория квантовой и нелинейной оптики сильно локализованных полей

Предложены новые методы повышения пиковой и средней мощности лазерных систем, основанные на использовании многосердцевинных волоконных световодов, пространственных фазовых модуляторов света и когерентного суммирования оптических пучков. Предложен и экспериментально опробован эффективный метод когерентного суммирования множества оптических излучателей, масштабируемый на неограниченное количество каналов без усложнения оптической схемы. Проведены исследования устойчивых в присутствии нелинейности режимов распространения и усиления излучения в многосердцевинных световодах, принципиально позволяющих многократно увеличить мощность лазерной системы. Исследованы возможности синтеза локализованных структур излучения с управляемыми параметрами в системах с использованием пространственных модуляторов света и многосердцевинных световодов. Проведено теоретическое исследование квантовых особенностей свойств излучения, возникающих при учете квантовой природы света при когерентном суммировании лазерных пучков. Найден стандартный квантовый предел шума для излучения, получающегося при когерентном суммировании пучков в системе с обратной связью.

С помощью суперкомпьютерного моделирования исследовано взаимодействие сверхмощного излучения с квантовым вакуумом в присутствии затравочной плазменной мишени, а именно развитие электрон-позитронного каскада в поле лазерных пучков, фокусируемых в форме электро- или магнитодипольных волн. Показана устойчивость исследованных режимов к погрешностям синтеза дипольной волны и другим параметрам системы, что дает основания для возможности наблюдения электрон-позитронного каскада в проектируемых в настоящее время мульти-петаваттных лазерных системах. Обнаружены новые режимы взаимодействия с электрон-позитронной плазмой, приводящие к формированию сильно локализованных лазерно-плазменных структур.

Исследованы особенности взаимодействия квантованного излучения с веществом в условиях сильной локализации поля и/или взаимодействующих с ним частиц. В частности, построена теория излучения фотонов неравновесной открытой квантовой системой в режиме парселловского усиления в субволновой квазидвумерной системе, проведено систематическое теоретическое исследование объемных и поверхностных поляритонов в вейлевских полуметаллах с нарушенной симметрией относительно обращения времени, а также построена теоретическая модель рождения электронно-дырочных пар в графене под действием мощного терагерцового импульса. Теория позволила количественно объяснить результаты экспериментов наших зарубежных коллег по нелинейной нано-масштабной диагностике графена с помощью нанозонда, подсвечиваемого ультракороткими лазерными импульсами. Исследованы особенности взаимодействия фотонов рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения с осциллирующим поглотителем, приводящие к возможности наблюдения акустически-индуцированной прозрачности и формирования последовательности аттосекундных импульсов. Впервые теоретически показана возможность формирования квантово-сжатого света в оптических волокнах из халькогенидного стекла.

Создан продвинутый стенд для изготовления и экспериментального исследования свойств микрорезонаторов на основе кварца и специальных мягких стекол. Экспериментально продемонстрированы различные сценарии генерации оптических частотных гребенок в кварцевых микросферах, а также оригинальные способы возбуждения рамановской генерации в халькогенидных микросферах. Построены численные модели лазерных, нелинейных и термооптических эффектов, результаты которых верифицированы экспериментально.

Внедрение результатов исследования:

Разработаны технологии изготовления микрорезонаторов на основе кварцевого стекла, позволяющие создавать микрорезонаторы с требуемыми характеристиками (диаметр, межмодовое расстояние, добротность) и хорошей повторяемостью параметров. Микрорезонаторы, созданные по данной технологии, используются в Институте телекоммуникаций Рижского технического университета для прикладных разработок в области высокоскоростных оптических телекоммуникаций.

Образование и переподготовка кадров:

• Разработаны и дополнены курсы лекций: "Колебания и волны, оптика", "Нелинейные волны в оптике" для студентов-бакалавров факультета "Высшая школа общей и прикладной физики" и Радиофизического факультета ННГУ, "Introduction to Quantum Optics" для магистрантов факультета ВШОПФ ННГУ и аспирантов аспирантуры ИПФ РАН, "Nonlinear and quantum effects in optical fibers and microresonators" для аспирантов и постдоков Института телекоммуникаций Рижского технического университета.

• Разработаны циклы учебно-научных экспериментальных работ "Нелинейное распространение фемтосекундных импульсов в волоконно-оптическом световоде" и "Измерение ультракоротких оптических импульсов" для студентов Радиофизического факультета ННГУ.

• Разработаны и изданы 2 методических пособия.

• Организованы стажировки сотрудников лаборатории по темам "Squeezing the quantum noise of short pulses of light" (Max Planck Institute for the Science of Light) и "Optical frequency combs for classical and quantum communication systems" (Institute of Telecommunications of the Riga Technical University, Riga, Latvia).

• Организована стажировка в ИПФ РАН для постдоков из Института телекоммуникаций Рижского технического университета.

• Организован симпозиум "Нелинейная динамика квантовых систем" в рамках XIX научной школы "Нелинейные волны – 2020", в которой приняли участие студенты и аспиранты.

• Состоялись защиты двух кандидатских диссертаций сотрудников лаборатории.

Сотрудничество:

• Институт физики света (Германия): совместные исследования, организация стажировок - опубликованы 9 совместных статей, 3 сотрудников лаборатории прошли стажировку.

• Institute of Telecommunications of the Riga Technical University (Латвия): совместные исследования, организация стажировок - подписан меморандум о сотрудничестве, опубликовано 4 совместных статьи, 5 сотрудников лаборатории прошли стажировку, начат совместный постдок проект.

• Texas A&M University (США): совместные исследования, научные визиты - опубликованы 5 совместных статей.

• University of Queensland (Австралия): совместные исследования - опубликована совместная статья.

• Sant Longowal Institute of Engineering and Technology, (Индия): совместные исследования, совместные научные проекты - подписан меморандум о сотрудничестве, опубликованы 2 совместные статьи, успешно завершен международный проект РФФИ.