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.

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

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На последнем этапе выполнения Проекта решались задачи связанные с изучением сценариев формирования мощного когерентного многооктавного суперконтинуума, реализация которого на практике дает возможность прецизионного манипулирования электромагнитным полем световой волны высокой амплитуды, созданием световодных компонент для новых полностью оптических квантовых сенсоров температуры на основе дефектов типа германий-вакансия в решетке алмаза, а также с разработкой размыкаемых многосердцевинных волоконных зондов для одновременного наблюдения пространственно разнесенных областей мозга. На основе достигнутых на прошлом этапе результатов, нами были детально исследованы возможности использования волоконно-оптических методов для генерации протяжённого суперконтинуума от ультрафиолетового до среднего инфракрасного (ИК) диапазона, а также проведения компрессии импульсов среднего ИК диапазона микроджоулевого уровня энергий до длительностей около одного периода поля. Для осуществления эффективной солитонной самокомпрессии импульсов до предельно коротких длительностей требуется волновод, обладающий специальными свойствами: высокой прозрачностью и аномальной дисперсией групповых скоростей в широком спектральном диапазоне вокруг центральной длины волны импульса накачки. Было выяснено, что выполнение данных свойств возможно при использовании полого волновода с поперечной структурой оболочки в виде кольца тонкостенных капилляров. Требуемая комбинация прозрачности и дисперсионных свойств волновода в нужном спектральном диапазоне определяется параметрами фотонно-кристаллической (ФК) структуры: полая сердцевина волокна диаметром около 70 мкм, окруженная массивом из шести идентичных тонкостенных кварцевых капилляров диаметром 37 мкм и толщиной стенки 0.59 мкм. Такая специальная антирезонансная структура волновода в виде кольца из шести капилляров рассчитана таким образом, чтобы поддерживать солитонную самокомпрессию импульса среднего ИК диапазона. В результате аккуратного подбора центральной длинны волны, энергии и длительности импульса накачки, протяженности световода и давления аргона в нем удалось осуществить генерацию когерентного суперконтинуума шириной около 3.5 октав от 350 нм до 4.9 мкм. Сопутствующий теоретический анализ полностью описывает сценарий преобразования излучения в световоде и предсказывает формирование импульса длительностью менее половины периода поля на центральной длине волны 2.8 мкм. Полностью оптические квантовые термометры, основанные на кремниевых, оловянных и германиевых (germanium-vacancy, GeV) центрах окраски в алмазе, демонстрируют отличное температурное разрешение и позволяют измерять температуру с высокой точностью в малых объемах в режиме in vivo. Среди них, GeV-центры, исследование которых было начато на втором этапе реализации Проекта, излучают существенную часть флуоресценции в бесфононную линию, тем самым уменьшается нагрев вследствие конверсии излучения накачки в фононы. Однако, излучение бесфонноной линии GeV-центра лежит вне окна прозрачности биологических тканей, тем самым ухудшая эффективность сбора сигнала с помощью обычных методов в режиме in vivo. Это ограничение смягчается для существующих волоконно-оптических платформ за счет комбинации улучшенного пространственного разрешения и увеличения уровня сигнала, что в итоге позволяет создать высокоточные, полностью оптические световодные GeV-термометры с высоким пространственным разрешением. В результате нами был продемонстрирован квантовый волоконно-оптический термометр с разрешением по температуре лучше, чем 20 мК /√Гц и построена двухмерная карта распределения температуры с пространственным разрешением 25 мкм. Такой гибкий, полностью оптический алмазный термометр не нуждается в микроволновом возбуждении и сохраняет свою точность и разрешение в диапазоне температур, необходимых для визуализации в режиме in vivo. В ходе выполнения третьего этапа Проекта были созданы оптические зонды на основе многосердцевинного оптоволокна и градиентного объектива. Были измерены градиентные константы для градиентных оптоволокон двух типов, что позволяет создавать как ультратонкие зонды с диаметром от 70 мкм, так и среднего диаметра от 100 мкм, которые обеспечивают минимальную инвазивность при вживлении, по сравнению с коммерческими градиентными линзами с типичными диаметрами 500-2000 мкм. Измерения показали, что для созданных зондов поле зрения примерно совпадает с диаметром сердцевины градиентного волокна и составляет около 60 мкм, а линейное увеличение практически не отличается от единицы. Из трех ультратонких зондов был создан составной зонд, с помощью которого было проведено зондирование вынутого мозга трансгенной мыши линии Thy1-EGFP, в размыкаемом режиме. В дальнейшем разработанные зонды могут использоваться для одновременного зондирования пространственно разнесенных областей мозга живых животных в размыкаемом формате. В рамках третьего года выполнения работ по Проекту в 2019 году было опубликовано 15 статей в высокоцитируемых научных журналах по оптике и лазерной физике: Optica, Scientific Reports, ACS Photonics, Physical Review A, Optics Letters, Optics Express, Journal of Biophotonics, Applied Physics Letters, JOSA B, Laser Physics Letters и Optics Communications. Результаты работ были доложены на международных конференциях: Conference on Laser and Electro-Optics (Мюнхен, Германия), 44th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (Париж, Франция), в том числе на пленарных докладах симпозиумов XI International Conference on Quantum Optics (Минск, Белоруссия) и International Conference on Ultrafast Optical Science “UltrafastLight-2019” (Москва, Россия).