КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-12-01533

НазваниеНелинейная микроскопия, квантовая сенсорика и аттосекундная спектрохронография на основе микроструктурированных световодов

РуководительЖёлтиков Алексей Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова", г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ2017 - 2019

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слованелинейная оптика, оптика сверхкоротких импульсов, сверхбыстрые процессы в веществе, аттосекундная физика

Код ГРНТИ29.33.25


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Целью проекта является проведение фундаментальных и поисковых научных исследований в области разработки новых методов спектроскопии быстропротекающих процессов, нелинейно-оптической микроскопии и оптической магнитометрии и термометрии на основе использования оптических волокон нового типа – микроструктурированных (МС) световодов. Уникальные свойства световодов этого класса обусловлены возможностью активного формирования частотного профиля дисперсии и пространственного профиля поля в волноводных модах. На этой основе удается реализовать высокоэффективное широкополосное преобразование спектра и временной формы сверхкоротких лазерных импульсов. Благодаря своей структуре МС-световоды могут быть также соединены со свето- и магниточувствительными элементами для создания полностью волоконных сенсорных элементов. В рамках вносимого проекта предлагается разработать МС-световоды со структурой, обеспечивающей возможность активного управления спектром и временным профилем сверхкоротких импульсов в широком диапазоне пиковых мощностей для целей нелинейно-оптической микроскопии и спектроскопии сверхбыстрых процессов, а также продемонстрировать физические принципы волоконной магнитометрии на основе использования МС-световодов с внедренными центрами типа азот--вакансия (NV) в алмазных микро- и наночастицах. Программа работ по проекту включает оптимизацию структуры МС-световодов для целей нелинейной микроскопии, оптической магнитометрии и спектроскопии сверхбыстрых процессов, а также проведение экспериментов, демонстрирующих возможности МС-волоконных источников и преобразователей частоты для микроспектроскопии и оптоволоконных магнетометров. В рамках программы исследований будут определены режимы, позволяющие на основе использования МС-световодов с полой сердцевиной сформировать мощные световые импульсы длительностью менее одного периода поля. Создание источника таких импульсов откроет уникальные возможности для исследования быстропротекающих процессов с уникально высоким временным разрешением. На этой основе будет разработан комплекс оптических методов для диагностики быстропротекающих явлений в газовых средах и твердом теле на субфемтосекундном масштабе времени -- аттосекундной спектрохронографии. На основе солитонных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах будут созданы сверхкомпактные перестраиваемые источники сверхкоротких импульсов для микроскопов нового поколения. Будут разработаны и экспериментально продемонстрированы световоды со специальной структурой поперечного сечения, интегрированные с NV-алмазными частицами, обеспечивающие возможность регистрации слабых магнитных полей, а также измерения температуры в живых системах с клеточным и субклеточным разрешением.

Ожидаемые результаты
В рамках настоящего проекта предлагается выполнить обширную программу экспериментальных и теоретических исследований. Ожидается, что на основе предложенной программы исследований окажется возможным (1) разработать сверхкомпактные перестраиваемые источники сверхкоротких импульсов для спектроскопии быстропротекающих процессов, нелинейно-оптической микроскопии и оптической магнитометрии и термометрии (2) создать источники импульсов длительностью менее одного периода поля для исследования быстропротекающих процессов с уникально высоким временным разрешением (3) разработать комплекс оптических методов для диагностики быстропротекающих явлений в газовых средах и твердом теле на субфемтосекундном масштабе времени -- аттосекундной спектрохронографии (4) разработать методы регистрации слабых магнитных полей, а также измерения температуры в живых системах с клеточным и субклеточным разрешением на основе использования уникальных МС-световодов с внедренными центрами типа азот--вакансия (NV) в алмазных микро- и наночастицах. Предлагаемая программа экспериментальных и теоретических исследований включает эксперименты по исследованию физических сценариев нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных волноводах, оптических капиллярах и полых сверхширокополосных оптических волокнах. Планируется исследовать физические сценарии спектрального уширения импульсов, солитонные режимы распространения импульсов, сценарии компрессии и самокомпрессии импульсов. Особенное внимание будет уделено исследованиям физических эффектов, влияющих на динамику предельно коротких импульсов длительностью около одного и даже меньше одного оптического периода. На базе разработанных источников предельно коротких импульсов планируется исследовать и экспериментально реализовать комплекс новых оптических методов для диагностики быстропротекающих явлений в газовых средах и твердом теле на субфемтосекундном масштабе времени. Планируется провести эксперименты по нелинейно-оптической микроскопии с использованием разработанных и оптимизированных для этой цели волоконных источников. На основе использования уникальных МС-световодов с внедренными центрами типа азот--вакансия (NV) в алмазных микро- и наночастицах будут развиты новые методы регистрации слабых магнитных полей, а также измерения температуры в живых системах с клеточным и субклеточным разрешением. Ожидаемые научные результаты: 1. На основе исследования солитонных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах будут созданы сверхкомпактные перестраиваемые источники сверхкоротких импульсов для микроскопов нового поколения. Будут разработаны микроструктурированные (МС)-световоды со структурой, обеспечивающей возможность активного управления спектром и временным профилем сверхкоротких импульсов в широком диапазоне пиковых мощностей. 2. Будет реализована генерация предельно коротких импульсов длительностью около одного оптического периода со спектром, перекрывающим часть ультрафиолетового , весь видимый, часть инфракрасного диапазона, для их применения в аттосекундной спектрохронографии - диагностики быстропротекающих явлений в газовых средах на субфемтосекундном масштабе времени. Создание источника таких импульсов откроет уникальные возможности для исследования быстропротекающих процессов с уникально высоким временным разрешением. 3. Будет продемонстрирован комплекс оптических методов для диагностики аттосекундной электронной динамики в газовых средах с использованием специально разработанных волоконных источников. 4. Будут разработаны и экспериментально продемонстрированы световоды со специальной структурой поперечного сечения, интегрированные с NV-алмазными частицами, обеспечивающие возможность регистрации слабых магнитных полей, а также измерения температуры в живых системах с клеточным и субклеточным разрешением. В экспериментах будут использоваться различные типы фемтосекундных лазерных систем, в том числе уникальная установка, генерирующая мощные фемтосекундные импульсы в среднем инфракрасном диапазоне, современное измерительное оборудование для высокоточной пространственной, временной и спектральной характеризации сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопических исследований, различные типы волоконных структур и квантовых сенсоров. Для выполнения теоретической программы исследований научная группа располагает доступом к суперкомпьютерным комплексам “Ломоносов” МГУ им. М.В. Ломоносова, а также собственным высокопроизводительным вычислительным кластером. Все направления исследований носят мультидисциплинарный характер, а планируемые результаты должны иметь фундаментальное значение в связи с развитием новых методик нелинейно-оптической спектроскопии и микросокпии, совершенствованием техники развития техники получения импульсов с предельно короткими длительностями, технологииями создания компактных волоконно-оптических устройств для магнито- и термометрии.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проведенные исследования на первом этапе реализации проекта Российского Научного Фонда позволили выявить новые сценарии преобразования фемтосекундных и пикосекундных импульсов в твердотельных и полых фотонно-кристаллических (ФК) световодах, идентифицировать области аномальной дисперсии атмосферного воздуха в окнах прозрачности в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне. В результате было впервые продемонстрировано явление самокомпрессии субтераваттных импульсов средней ИК области спектра в воздухе. Формируемые таким образом предельно короткие импульсы могут быть использованы для зондирования динамики фотоионизации твердых тел с разрешением по глубине, теоретические основы которой также были развиты в ходе работы над Проектом. Большинство лазерных систем для проведения нелинейно-оптической микроскопии и спектроскопии на основе излучения суперконтинуума (СК) используют высоконелинейные ФК-световоды с малым размером сердцевины. Мы провели экспериментальные и теоретические исследования процессов генерации излучения суперконтинуума в ФК-световодах с большой площадью моды (БПМ), накачиваемых импульсами пикосекундной длительностью Nd:YVO4 лазера, что позволяет преобразовывать импульсы большей мощности. Нами были получены импульсы суперконтинуума с энергией до нескольких микроджоулей с широким спектром, красное крыло которого простирается до 1600 нм, позволяя зондировать комбинационно-активные колебания с частотами от 500 до 3000 см-1 методом когерентного комбинационного рассеяния света. Созданный нами лазерный источник отлично подходит для проведения спектроскопии КАРС газовых сред, что продемонстрировано в эксперименте с окружающим воздухом. Далее, на следующих этапах выполнения проекта мы планируем оптимизировать структуру и длину световода для достижения баланса между мощностью суперконтинуума, его формой его спектра и величин групповых задержек его спектральных компонент. Планируется реализовать нелинейно-оптическую микроскопию твердых тел, используя разрабатываемый волоконный лазерный источник. В Проекте представлены результаты экспериментов по передаче на большие расстояния сверхкоротких лазерных импульсов среднего ИК диапазона через атмосферный воздух и по зондированию дисперсии групповых скоростей (ДГС) атмосферного воздуха в диапазоне длин волн 3.6-4.2 мкм. Результаты экспериментов и проведенный численный анализ показывают явное наличие аномальной ДГС в этом диапазоне длин волн с групповыми задержками до 1.8 пс. Существование диапазона аномальной дисперсии групповых скоростей в атмосфере, открывает новые возможности для передачи сигналов на большие расстояния, позволяет создавать новые методы дистанционного зондирования и преобразования мощных лазерных импульсов при распространении на большие расстояния в атмосферном воздухе. Дальнейшая работа показала, что дисперсия и оптическая нелинейность атмосферного воздуха в длинноволновом инфракрасном спектральном диапазоне приводят к уникальной солитонной динамике, возникающей в результате сложной пространственно-временной эволюции лазерного импульса в свободно распространяющемся пучке. Идентифицирована широкая спектральная область аномальной дисперсии групповых скоростей атмосферного воздуха простирающаяся от 9,3 мкм до границы полосы поглощения молекул углекислого газа вблизи 13.5 мкм. Показано, что данная спектральная область идеально подходит для реализации солитонной самокомпрессии сверхкоротких субтераваттных лазерных импульсов до длительностей порядка одного периода поля. В ходе выполнения Проекта были исследованы пути компрессии импульсов среднего инфракрасного диапазона субнаноджоулевого уровня энергии. Одним из немногих вариантов реализации этого является нелинейно-оптическая трансформация и самокомпрессия в ФК-световодов из халькогенидных стекол. Были проведены расчёт распространения излучения в таких световодах. Для фиксированных параметров волокна была найдена комбинация центральной длины волны и пиковой мощности импульса, обеспечивающая максимальный коэффициент компрессии. Для импульса длительностью 85 фс, центральной длиной волны 3460 нм и пиковой мощностью 613 Вт было получено сжатие до длительность в 11.5 фс, что примерно равно периоду поля несущей. Результаты исследований, выполненных за неполный календарный год в рамках первого этапа, опубликованы в 7 статьях в научных журналах Optica, Scientific Reports, Physical Review A, Optics Letters, Laser Physics Letters, Письма в ЖЭТФ и в 1 обзоре в Успехи Физических Наук. Результаты работ были доложены на международных конференциях Conference on Laser and Electro-Optics (San Jose, California, United States), The European Conference on Lasers and Electro-Optics (Munich, Germany), 4th International Conference on Quantum Technologies (ICQT2017), Москва, Россия, Advanced Laser Technologies (ALT'17), Busan, Корея, Республика.

 

Публикации

1. Воронин А.А., Желтиков А.М. Long-wavelength infrared solitons in air OPTICS LETTERS, 42, 18, 3614-3617 (год публикации - 2017).

2. Воронин А.А., Митрофанов А.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Федотов А.Б., Пужлис А., Панченко В. Я., Шумакова В., Алисаускас С., Балтушка А., Желтиков А.М. Free-beam soliton self-compression in air Journal of Optics, - (год публикации - 2017).

3. Желтиков А.М. Теория фотоионизации Келдыша: через барьеры Успехи физических наук, Том 187, № 11 (год публикации - 2017).

4. Жохов П.А., Желтиков А.М. Depth-resolved subcycle dynamics of photoionization in solids PHYSICAL REVIEW A, 96, 3, 033415 (год публикации - 2017).

5. Мещанкин Д.В., Воронин А.А., Желтиков А.М. Fiber-optic soliton self-compression to subcycle pulse widths in the mid-infrared LASER PHYSICS LETTERS, 14, 12, 125401 (год публикации - 2017).

6. Мещанкин Д.В., Воронин А.А., Серебрянников Е.Е., Желтиков А.М. Селективное возбуждение, когерентное управление и аттосекундная спектрохронография электронных подоболочек атомных систем Письма в ЖЭТФ, 106, 10, 621-626 (год публикации - 2017).

7. Митрофанов А.В., Воронин А.А., Рожко М.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Федотов А.Б., Пужлис А., Шумакова В., Алисаускас С., Балтушка А., Желтиков А.М. Self-compression of high-peak-power mid-infrared pulses in anomalously dispersive air OPTICA, 4, 11, 1405-1408 (год публикации - 2017).

8. Митрофанов А.В., Воронин А.А., Сидоров-Бирюков Д.А., Рожко М.В., Степанов Е.А., Федотов А.Б., Шумакова В., Алисаускас С., Пужлис А., Балтушка А., Желтиков А.М. Mapping anomalous dispersion of air with ultrashort mid-infrared pulses SCIENTIFIC REPORTS, 7, 2103 (год публикации - 2017).

9. Почечуев М. С., Федотов И. В., Ивашкина О. И., Рощина М. А., Мещанкин Д. В., Сидоров-Бирюков Д. А., Федотов А. Б., Анохин К. В., Желтиков А. М. Reconnectable fiberscopes for chronic in vivo deep-brain imaging Journal of Biophotonics, - (год публикации - 2017).

10. Серебрянников Е.Е., Панченко В.Я., Желтиков А.М. Multibeam synthesis of high-power subcycle field waveforms PHYSICAL REVIEW A, 96, 3, 033853 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Одна из широких научных проблем, на решение которой направлен данный Проект, состоит в исследовании оптических и нелинейного-оптических явлений, происходящих при распространении лазерных импульсов по оптическим световодам с полой или твердотельной сердцевиной, с микроструктурированной или однородно заполненной оболочкой, поддерживающие излучение в сердцевине за счет полного внутреннего отражения или фотонных запрещенных зон. Проведенные в 2018 году исследования позволяют лучше понимать фундаментальные физические причины, лежащие в основе этих явлений, и тем самым создавая задел для инновационных лазерных технологий. Эффективные волоконно-оптические методы генерации многооктавного суперконтинуума широко применяются в ближней инфракрасной области спектра. Распространение этих методов и технологий в область среднего инфракрасного спектрального диапазона является сложной задачей, поскольку требует новых волоконно-оптических решений, которые позволили бы сочетать высокую оптическую нелинейность в среднем ИК-диапазоне с достаточно широкой полосой прозрачности и точно настроенной дисперсией. В ходе реализации второго этапа Проекта, мы показали, что в результате нелинейно-оптического преобразования импульсов среднего инфракрасного (ИК) диапазона на центральной длине волны 3.2 мкм с начальной длительностью около 200 фс в полом антирезонансном фотонно-кристаллическом световоде, заполненном газом под определённым давлением, может быть сформирован мультиоктавный суперконтинуум, простирающийся в диапазоне длин волн от 300 нм до 5.2 мкм. Анализ спектра излучения суперконтинуума на выходе волокна, показывает, что формирование столь протяжённого суперконтинуума становится возможным в результате необычной солитонной динамики, в которой солитонная самокомпрессия импульса накачки происходит совместно с самоукручением фронта и образованием ударной волны огибающей, приводя к формированию предельно коротких электромагнитных импульсов, длительностью менее одного периода колебаний на центральной длине волны. Традиционно оптические эксперименты по распространению импульсов на большие расстояния проводятся в областях высокого пропускания, вдали от полос молекулярного поглощения. В ходе выполнения запланированной работы по проекту в 2018 году было показано, что важная задача восстановления сильно осциллирующей материальной дисперсии газовой среды может быть решена с помощью техники сверхбыстрой спектрохронографии, в которой комбинируется время-разрешенное четырехволновое смешение и кросскорреляционное оптическое стробирование с разрешением по частоте. Большой интерес к областям вблизи резонансов обусловлен наличием аномальной дисперсии групповых скоростей вблизи резонансов, что позволяет реализовать необычный для воздуха солитонный сценарий передачи мощного излучения. Также нами исследуется альтернативный метод доставки через атмосферу и преобразования мощного лазерного излучения посредством формирования фемтосекундного филамента. Нами были исследованы свойства филаментов, зажигаемые импульсами среднего инфракрасного диапазона длительностью 90 фс на центральной длине волны 3.9 мкм с энергией около 30 мДж в атмосферном воздухе, путем регистрации плотности плазмы и оптических потерь. Одновременно с этим проводились наблюдения за спектральной динамикой импульса и эволюцией профиля пучка при различной силе фокусировки. Мы выявили важную роль вынужденного комбинационного рассеяние света, усиливающего динамическое поглощение излучения молекулами углекислого газа. Одним из результатов проведенной на втором этапе работы по Проекту стала демонстрация эффективного подхода к генерации суперконтинуума микроджоулевого уровня энергии в твердотельных фотонно-кристаллических световодах с большой площадью моды. Такая техника позволяет создавать удобные лазерные источники для нелинейной микроскопии и спектроскопии. Реализованный источник суперконтинуума был успешно использован для проведения микроспектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света газов и твердых тел. При выполнении второго этапа данного Проекта мы разработали монолитный квантовый сенсор магнитного поля и его градиента на основе фотонно-кристаллического световода с двумя сердцевинами и микрокристалла алмаза с центрами окраски азот-вакансия (NV-центры). Измерение магнитного поля регистрировалось за счет оптически детектируемого магнитного резонанса NV-центров в микрокристалле алмаза, расположенного на торце ФК-световода. Разработанный зонд предоставляет эффективный инструментарий для трехмерного векторного картирования вариации магнитного поля возле исследуемого объекта. Результаты исследований, выполненные за 2018 год в рамках второго этапа, опубликованы в 17 статьях в научных журналах УФН, Scientific Reports, Physical Review A, Optics Letters, Optics Express, Journal of Biophotonics, Applied Physics Letters и другие. Результаты работ были доложены на международных конференциях и симпозиумах Annual Conference of the German Physical Society (DPG), Conference on Laser and Electro-Optics (San Jose, California, United States), Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XVIII (2018), 8th International Symposium “Modern Problems of Laser Physics” (MPLP-2018), Международная школа "Нелинейная фотоника", НГУ, Новосибирск, Россия

 

Публикации

1. Воронин А.А., Ланин А.А., Федотов А.Б., Желтиков А.М. Ultrafast mid-infrared spectrochronography of dispersion near molecular absorption bands Optics Letters, 43, 6, 1327-1330 (год публикации - 2018).

2. Воронин А.А., Митрофанов А.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Федотов А.Б., Пужлис А., Панченко В.Я., Шумакова В., Алисаускас С., Балтушка А., Желтиков А.М. Free-beam soliton self-compression in air Journal of Optics, 20, 2, 025504 (год публикации - 2018).

3. Желтиков А.М. Analytical insights into self-phase modulation: beyond the basic theory Optics Express, 26, 13, 17571-17577 (год публикации - 2018).

4. Желтиков А.М. Thermodynamic limitations on the temperature sensitivity of cell-membrane ion channels: Trouble with enthalpy uncertainty Journal of Applied Physics, 123, 22, 224701 (год публикации - 2018).

5. Желтиков А.М. Критика квантового разума: измерение, сознание, отложенный выбор и утраченная когерентность Успехи физических наук, 188, 1119–1128 (год публикации - 2018).

6. Желтиков А.М. Optical shock wave and photon-number conservation Physical review A, 98, 4, 043833 (год публикации - 2018).

7. Жохов П.А., Желтиков А.М. Optical breakdown of solids by few-cycle laser pulses Scientific reports, 8, 1824 (год публикации - 2018).

8. Малеки Ю., Желтиков А.М. Witnessing quantum entanglement in ensembles of nitrogen–vacancy centers coupled to a superconducting resonator Optics Express, 26, 14, 17849-17858 (год публикации - 2018).

9. Малеки Ю., Желтиков А.М. Generating maximally-path-entangled number states in two spin ensembles coupled to a superconducting flux qubit Physical review A, 97, 1, 012312 (год публикации - 2018).

10. Митрофанов А.В., Назаров М.М., Воронин А.А., Сидоров-Бирюков Д.А., Панченко В. Я., Желтиков А.М. Free-beam spectral self-compression at supercritical peak powers Optics Letters, 43, 22, 5693-5696 (год публикации - 2018).

11. Митрофанов А.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Рожко М.В., Рябчук С.В., Воронин А.А., Желтиков А.М. High-order harmonic generation from a solid-surface plasma by relativistic-intensity sub-100-fs mid-infrared pulses Optics Letters, 43, 22, 5571-5574 (год публикации - 2018).

12. Почечуев М.С., Суворина А.С., Щеглов П.А., Никитин С.П., Желтиков А.М. Wavelength beam combining by spectrally selective polarization transformation Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics, 35, 11, 2842-2845 (год публикации - 2018).

13. Почечуев М.С., Федотов И.В., Желтиков А.М. An ultraslim all-fiber microendoscope for depth-resolved imaging Applied Physics Letters, 113, 19, 191102 (год публикации - 2018).

14. Почечуев М.С., Федотов И.В., Ивашкина О.И., Рощина М.А., Мещанкин Д.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Федотов А.Б., Анохин К.В., Желтиков А.М. Reconnectable fiberscopes for chronic in vivo deep-brain imaging Journal of Biophotonics, 11, 4, UNSP e201700106 (год публикации - 2018).

15. Фэн Д., Кожокару И., Бекер Д., Федотов И.В., Алкахтани М.Х.А., Алажлен А., Блэкли Ш., Резаи М., Лямкина А., Палянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Янг Я., Желтиков А.М., Хеммер Ф., Акимов А.В. Germanium-Vacancy Color Center in Diamond as a Temperature Sensor ACS Photonics, 5, 3, 765–770 (год публикации - 2018).

16. Шен Ю., Воронин А.А., Желтиков А.М., О'Коннор Ш.П., Яковлев В.В., Соколов А.В., Скалли М.О. Picosecond supercontinuum generation in large mode area photonic crystal fibers for coherent anti-Stokes Raman scattering microspectroscopy Scientific reports, 8, 9526 (год публикации - 2018).

17. Шумакова В., Алисаускас С., Малевич П., Голлнер К., Балтушка А., Карташов Д., Желтиков А.М., Митрофанов А.В., Воронин А.А., Сидоров-Бирюков Д.А., Пужлис А. Filamentation of mid-IR pulses in ambient air in the vicinity of molecular resonances Optics Letters, 43, 9, 2185-2188 (год публикации - 2018).