История лаборатории
Основателем лаборатории является выдающийся советский и российский ученый — профессор Николай Иванович Коротеев. В начале 1980-х годов он активно развивал на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова работы по нелинейно-оптической спектроскопии, в частности, спектроскопии когерентного антистокосова рассеяния света (КАРС). Н. И. Коротееву удалось создать группу молодых энергичных специалистов, в которую в разное время входили С. М. Гладков, В. Н. Задков, М. В. Рычев, А. Б. Федоров, А. А. Иванов, В. Б. Морозов, А. М. Желтиков и О. С. Ильясов. Группа добилась заметных результатов в области развития прецизионных методов КАРС-спектроскопии для диагностики газов и плазмы. В данный период (середина 80-х — начало 90-х годов) лабораторию последовательно возглавляли к. ф.-м. н. С. М. Гладков и к. ф.-м. н. А. А.Иванов.
В 1991 году научным руководителем лаборатории стал ученик Н. И. Коротеева Алексей Михайлович Желтиков (к. ф.-м. н., 1990). Основные направления научной деятельности лаборатории в 90-х годах были связаны с созданием эффективного источника когерентного излучения в коротковолновой (УФ) части спектра в процессе генерации оптических гармоник от мощных пикосекундных импульсов в лазерной плазме, дальнейшим развитием и использования метода КАРС-спектроскопии для исследования объектов различной природы, в частности, активных сред газовых лазеров, разработкой новых типов оптических устройств на основе фотонных кристаллов, а также реализацией проекта по созданию трехмерной оптической памяти в фоточувствительных материалах.
В середине 90-х годов прошлого века в основном сформировался остов научной группы, когда она обрела свое собственное название — «Фотоники и нелинейной спектроскопии», — и на постоянной основе начали работать А. Б. Федотов (к. ф.-м. н., 1994) и Д. А. Сидоров-Бирюков (к.ф.-м.н., 1997).
В 1997 году А.М.Желтикову и А.Б.Федотову была присуждена Государственная премия РФ для молодых ученых “За исследования нелинейно-оптического преобразования частоты лазерного излучения и четырехволновой спектроскопии низкотемпературной лазерной плазмы”. В этот период времени в лаборатории также активно и успешно работали молодые ученые А. Н. Наумов (к. ф.-м. н., 1999) и Д. А. Акимов (к.ф.-м.н., 2001).
В первом десятилетии XXI века усилия группы были направлены на развитие новых типов оптических волокон — фотонно-кристаллических (микроструктурированных) световодов и исследования спектрально-временных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов в них. Фактически лаборатория является первой отечественной группой, которая начала активно проводить исследования с этим новым типом волокон в России. Основные научные достижения в этом направлении связаны с исследованиями новых механизмов нелинейно-оптических преобразований в фотонно-кристаллических волокнах, разработкой новых типов микро- и наноструктурированных волокон с целью управления их дисперсионными и модовыми свойствами, разработкой вопросов использования микроструктурированных волокон для различных научных и технологических приложений. В развитие этой тематики большую роль сыграли аспиранты и молодые сотрудники лаборатории — С. О. Коноров (к. ф.-м. н., 2005), Е. Е. Серебрянников (к. ф.-м. н., 2009), В. А. Митрохин (к. ф.-м. н., 2010), И. В. Федотов (к. ф.-м. н. 2010), А. В. Митрофанов (к. ф.-м. н., 2010). По этому направлению нашей группой опубликовано более 300 работ в ведущих научных журналах и получено несколько патентов. Работы велись в рамках активного сотрудничества с различными институтами и университетами в России (ГОИ им. С.И.Вавилова в Санкт-Петербурге и ООО «ТОСС» в Саратове), Европе, Америке и Азии. А. М. Желтиков является автором трех книг — «Оптика микроструктурированных волокон» (2004), «Сверхкороткие импульсы и методы нелинейной оптики» (2006), «Микроструктурированные световоды в оптических технологиях» (2009), нескольких обзоров, учебно-методических разработок и глав в монографиях по данной тематике. В 2010 году профессор А. М. Желтиков был удостоен ежегодной международной награды за достижения в области лазерной физики и квантовой оптики — медали имени лауреата Нобелевской премии У. Лэмба «за пионерский вклад в развитие нелинейной оптики сверхкоротких лазерных импульсов в фотонно-кристаллических волокнах».
Необходимо отметить проводимые в этот время совместные исследованиям с кафедрой общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ, посвященные реализации новых типов фотонных устройств на основе пористых наноструктурированных материалов с управляемыми свойствами (включая пористый кремний и фотонно-кристаллические структуры на его основе). Также большое внимание в это время уделялось фундаментальным вопросам взаимодействия сверхкоротких импульсов с подобными структурно-организованными объектами.
Изначально экспериментальные исследования группы реализовывались в лаборатории 5-08 Корпуса Нелинейной Оптики (КНО). В 2003-2004 годах была осуществлена полная модернизация помещения, направленная на создание условий для проведения современных многофункциональных и мультидисциплинарных исследований. С 2009 года группа также получила возможность работать в лаборатории 3-12 КНО, в которой проводились исследования, связанные с созданием волоконно-оптических источников сверхкоротких лазерных импульсов. Эта лаборатория перешла в полное распоряжение группы с 2013 года. При финансовой поддержке РКЦ была выполнена перестройка помещения и организованно современное лабораторное и офисное пространство.
В последние десять лет спектр научных интересов группы значительно расширился. В этой связи, во-первых, необходимо отметить биофизическое направление, а именно развитие оптических методов для исследований в области нейрофизиологии мозга и когнитивных технологий. Работы проводились в рамках сотрудничества с возглавляемой профессором К. В. Анохиным лабораторией НБИКС центра НИЦ «Курчатовский институт». В результате был выполнен широкий спектр исследований функциональной активности нейронных тканей и клеток на основе развития нелинейно-оптических методик и применением новых волоконных и оптогенетических технологий. Большую роль в работах сыграли Л. В. Амитонова (к.ф.-м.н., 2013), А. Б. Федотов и И. В. Федотов. Научной группой был успешно выполнен госконтракт Минобрнауки № 14.607.21.0092 (2014 — 2016 гг.) «Создание волоконных нейроинтерфейсов», в рамках которого реализованы и испытаны несколько прототипов нейроинтерфейсов для эндоскопической визуализации нейронной активности клеток мозга свободноподвижных животных с клеточным разрешением. В настоящее время развитие этих методик активно продолжается в рамках сотрудничества с институтом перспективных исследований мозга МГУ имени М. В. Ломоносова, который возглавляет академик РАН, профессор К. В. Анохин.
В начале второго десятилетия группа начала активно развивать направление, связанное с генерацией высокоэнергетичных сверхкоротких импульсов ближнего и среднего инфракрасного диапазона, а также исследования нелинейно-оптических явлений при их распространении в атмосфере и взаимодействии с различными объектами. Большое значение для развития этого направления стало начало сотрудничество с Российским Квантовым Центром (РКЦ, rqc.ru). В рамках Российского Квантового Центра была организована группа передовой фотоники во главе с А.М.Желтиковым, в которую вошли основные сотрудники нашей группы. Необходимо отметить, что профессор А. М. Желтиков в 2012 году стал первым научным директором РКЦ и четыре года выполнял эти функции. В результате реализации совместного проекта с Венским Техническим университетом в лаборатории передовой фотоники РКЦ была создана уникальная, не имевшая аналогов в мире, многофункциональная лазерная система, генерирующая сверхкороткие высокоэнергетичные импульсы в среднем инфракрасном диапазоне. Лазерная система представляет собой сложный комплекс, состоящий из фемтосекундного задающего генератора и регенеративного усилителя, пикосекундного лазера накачки и нескольких ступеней параметрического преобразователя частоты. В течение последних нескольких лет на этой установке было получено большое количество приоритетных результатов, связанных с особенностями распространения импульсов среднего ИК диапазона в атмосфере и газах и их филаментацией, новыми нелинейно-оптическими режимами генерации гармоник и суперконтинуума (в том числе в волноводном режиме), вопросами дистанционного зондирования, а также фундаментальными проблемами взаимодействия лазерных импульсов с веществом в субрелятивистском и релятивистском режимах.
Сохраняя традиции исследований в области нелинейной спектроскопии, в наших лабораториях в МГУ продолжает интенсивно развивается данное направление. С использованием линейки фемтосекундных лазерных источников на кристаллах Ti:Sapphire, хром-форстерита, иттербия, а также перестраиваемых источников (оптических параметрических усилителей и микроструктурированных световодов) реализуются различные схемы нелинейно-оптической спектроскопии и микроскопии. Нами используется методики на основе мультифотонной флуоресценции, генерации второй и третьей оптических гармоник, вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и когерентного антистоксова рассеяния (КАРС). В этом направлении активно и плодотворно работает А.А.Ланин (к. ф.-м. н., 2014). Большое внимание уделяется применению этих методик для исследования свойств новых флуоресцентных маркерных белков, живых различных клеточных структур и нейронов, построению трехмерных изображений тканей с клеточным и субклеточным разрешением и определению функциональной активности клеток в задачах опто- и термогенетики (М. С. Почечуев, А. В. Чеботарев, М. А. Солотенков). В рамках последнего направления большое место занимает сотрудничество с группой профессора В. В. Белоусова (Институт биоорганической химии РАН). Суть термогенетических исследований заключается в анализе возможности оптического контроля и управления функциональной деятельностью как отдельных клеток, так и целых живых организмов за счет изменения температуры специальных термочувствительных каналов, встраиваемых в мембраны клеток с помощью генной инженерии. Среди других направлений совместных работ с ИБХ РАН можно назвать развитие флуоресцентных методов с временным разрешением и исследование динамики патологий в мозге лабораторных животных с помощью оптоволоконных нейроинтерфейсов. Независимым направлением стало исследование с помощью волоконных нейроинтерфкйсов роли и влияния астроцитов на функциональные особенности процессов в мозге лабораторных животных. Эти исследования ведутся в сотрудничестве с группой профессор А. В. Семьянова (Институт биоорганической химии РАН).
Благодаря тесной кооперации с НИЦ «Курчатовский институт» группа имеет возможность активно работать на сверхмощной субпетаваттной лазерной системе (лазер «Курчатовский»). Система была установленной и введена в эксплуатацию при определяющем участии сотрудников нашей группы (А. В. Митрофанов, Д. А. Сидоров-Бирюков). Лазер «Курчатовский» изготовлен французской фирмой Amplitude Systems, относится к классу субпетаваттных фемтосекундных лазерных систем с мощностью в импульсе на уровне 0.2⋅1015 Вт и является одним из самых мощных лазеров в Российской федерации. В настоящее время на этом лазере ведутся коллективные исследования в области физики сверхмощных световых полей и их взаимодействия с веществом.
Экспериментальные исследования поддерживаются глубоким теоретическим анализом и численным моделированием, проводимым как на мощном вычислительном комплексе, который имеется непосредственно в распоряжении группы, так и на суперкомпьютерах. Е. E. Серебрянников, А. А. Воронин (к.ф.-м.н., 2013), П. Б. Глек являются основными специалистами по численному моделированию в нашей группе. В последнее время были защищены диссертационные работы Д. А. Мещанкина (к. ф.-м. н., 2017) и П. Н. Жохова (PhD, 2018), посвященные теоретическим вопросам генерации и использования предельно коротких и мощных импульсов.
Тематика генерации и использования предельно коротких импульсов в среднем инфракрасном диапазоне также активно развивается в лабораториях МГУ имени М. В. Ломоносова. На основе Тi:Sapphire лазерного комплекса, включающего генератор фемтосекундных импульсов, регенеративный усилитель, оптический параметрический усилитель, и нелинейно-оптическую схему генерации разностной частоты, развивается техника получения и полной характеризации перестраиваемых предельно коротких (менее одного цикла поля) фазостабилизированных импульсов микроджоулевого уровня энергии в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне спектра (Е. А. Степанов, И. В. Савицкий). Эти импульсы используются для реализации различных схем нелинейной спектроскопии объектов газовых сред и твердых тел на основе динамических интерференционных схем поглощения и генерации высших оптических гармоник. В частности, была исследована динамика и структура электронных состояний в полупроводниковых структурах, что может быть использовано для реализации различных сверхбыстрых оптоэлектронных устройств с петагерцовой тактовой частотой. В настоящее время в лаборатории развивается новая методика инфракрасной импульсной молекулярной спектроскопии, реализуемой за счет резонансного четырехволнового взаимодействия зондирующих предельно коротких фемтосекундных импульсов с молекулярными переходами и регистрации их быстрой динамики (двумерная инфракрасная Фурье-спектроскопия).
В последнее несколько лет в группе активно развиваются новые направления в области квантовой оптики. Во-первых, это реализация новых эффективных и ярких источников квантовых состояний света на основе микроструктурированных волокон и их применение для квантовой спектроскопии и микроскопии. Другим важным направлением является реализация волоконных детекторов с использованием квантовых сенсоров на основе микрочастиц алмаза с центрами окраски (NV-центрами, Si и Ge), обладающих характеристиками квантовых объектов при комнатной температуре (И. В. Федотов). Использование квантовых сенсоров позволяет добиться высокой чувствительности измерения температуры и магнитного поля исключительно оптическими методами, а использование волоконных технологий обеспечивает возможность проведения в эндоскопическом режиме, что крайне важно для локального и дистанционного измерения этих характеристик в различных, в том числе живых, объектах. В этих исследованиях чрезвычайно важными организационными и научными составляющими является взаимодействие с Казанским квантовым центром КНИТУ-КАИ и его руководителем, профессором С. А. Моисеевым. В Казанском квантовом центре КНИТУ-КАИ успешно развивается наша совместная лаборатория фотоники и квантовых технологий. Финансовая поддержка лаборатории осуществляется правительством Республики Татарстан и Мегагрантом 14.Z50.31.0040 (2017-2021) «Световодные системы для квантовых технологий» (научный руководитель — профессор А. М. Желтиков). В рамках выполнения Мегагранта получены приоритетные результаты по исследованию яркого источника коррелированных фотонных пар и одиночных фотонов на основе векторного четырехволнового смешения в микроструктурированных световодах, а также созданию квантового повторителя.
