Close

Лаборатории и оборудование

Лаборатория 5-08 МГУ

Лаборатория 5-08 Корпуса нелинейной оптики МГУ исторически является первым и основным помещением, где начались и закладывались основные направления работы группы. В настоящее время это современная лаборатория, насыщенная передовым лазерным и измерительным оборудованием.

Многофункциональный Тi:Sapphire фемтосекундный лазерный комплекс

Лазерная система на основе кристалла Ti:sapphire включает фемтосекундный генератор и регенеративный  усилитель, позволяющий получать импульсы с энергией до 1 мДж, длительностью около 50 фс с центральной длиной волны 800 нм. Система дополняется двумя ступенями понижения частоты, в состав которых входят:  параметрический усилитель, позволяющий  получить импульсы сигнальной и холостой волн в диапазонах 1050 — 1580 и 1620 – 2300 нм, соответственно;  схема генерации разностной частоты для получения  импульсов, перестраиваемых в диапазоне длин волн от 2.7 до 15 мкм с энергией импульсов до нескольких микроджоулей.

Задающий фемтосекундный  Тi:Sapphire генератор TiF-SP-30 (Авеста, Россия):

  • длительность импульсов: 25 – 50 фс,
  • частота генерации импульсов: 80 МГц,
  • центральная длина волны: 800 нм,
  • спектральная область перестройки: 740 – 860 нм,
  • средняя мощность: до 800 мВт,
  • оптическая накачка: DPSS лазер Sprout6D (длина волны — 527 нм, мощность — до 6 Вт).

Регенеративный усилитель на кристалле Тi:Sapphire (включает стретчер, усилитель и компрессор):

  • частота повторения импульсов: 1 кГц,
  • энергия выходных импульсов: 1.1 мДж (ожидаемое значение после модернизации: до 2.4 мДж),
  • длительность импульсов: до 45 фс,
  • оптическая накачка: Nd:YAG лазер LQ201 с внутрирезонаторым удвоением частоты, мощность выходного излучения — 7,5 Вт.

Оптический  параметрический усилитель (ОПУ):

  • двухкаскадная схема параметрического усиления на кристаллах BBO с накачкой импульсами из регенеративного усилителя на длине волны в области 800 нм;
  • спектральная перестройка: сигнальная волна — 1150-1580 нм, холостая волна — 1620-2300 нм,,
  • эффективность преобразования: до 25%.

Система генерация разностной частоты:

  • генерация разностной частоты в кристалле AgGaS2 (AGS) при взаимодействии перестраиваемых сигнальной и холостой волн накачки из ОПУ,
  • спектральная перестройка: 2.85-15 мкм,
  • эффективность преобразования: до 5%,
  • энергия в импульсе: до 8 мкДж на длине волны 6 мкм.

Система характеризация импульсов (XFROG):

  • автоматизированный система сканирования линии задержки, сбора и анализа нелинейного сигнала,
  • возможность использования различных нелинейных сред, включая газовые среды.
setup

Рис. 1. Схема лазерной системы для генерации перестраиваемых фемтосекундных лазерных импульсов среднего ИК диапазона на основе титан-сапфирового генератора, оптического параметрического усилителя и генератора разностной частоты. СК – пластинка из сапфира для генерации суперконтинуума, ОПУ 1, 2 – два каскада оптического параметрического усилителя на кристаллах BBO.

Области научных приложений: нелинейно-оптическая спектроскопия,  генерация предельно коротких импульсов в среднем инфракрасном диапазонах, спектроскопия полупроводниковых сред методом генерации оптических гармоник, двумерная инфракрасная спектроскопия, фундаментальные вопросы взаимодействия излучения с веществом, квантовая оптика.

 

Фемтосекундный  Сr:forsterite генератор

  • Длительность импульсов: 70 – 120 фс,
  • частота генерации импульсов: 15 МГц,
  • центральная длина волны: 1250 нм,
  • спектральная область перестройки: 1220 – 1280 нм,
  • средняя мощность: до 800 мВт (в зависимости от режима работы – одноимпульсный, двухимпульсный, с коротким резонатором),
  • энергия в импульсе: до 35 нДж,
  • оптическая накачка — волоконный иттербиевый лазер (длина волны — 1070 нм, мощность — до 10 Вт).

Области применения: нелинейно-оптическая микроскопия, нелинейно-оптическое преобразование в  микроструктурированных световодах.

Лаборатория 3-12 МГУ

Помещение 3-12 Корпуса нелинейной оптики МГУ находится полностью в распоряжении группы с 2013 года. Здесь созданы три лаборатории — нелинейно-оптической микроскопии, волоконных и квантовых технологий, а также лаборатория подготовки эксперимента. Центральная часть помещение является офисным пространством, которое может использоваться для проведения семинаров и научных презентаций.

Лаборатория  нелинейно-оптической микроскопии

Техника нелинейно-оптический микроскопии предполагает наличие двух основных компонентов экспериментальной системы, а именно, источника сверхкоротких лазерных импульсов для оптического возбуждения объектов и непосредственно микроскопной части. В рамках совместных работ с Российским Квантовым Центром (РКЦ) в лаборатории установлена современная лазерная система на основе этих двух компонентов: фемтосекундный лазер на кристалле Ti:Sapphire c оптическим параметрическим генератором/лазер на кристалле хром- форстерията и мультфотонный микроскоп.

Фемтосекундный лазер на кристалле Ti:Sapphire (MIRA-900, Coherent):

  • длительность импульсов: 100 – 150 фс,
  • частота генерации импульсов: 73 МГц,
  • центральная длина волны: 800 нм,
  • спектральная область перестройки: 720 – 100 нм,
  • средняя мощность: до 4 Вт на центральной длине волны,
  • оптическая накачка DPSS лазер Verdi18G (длина волны — 527 нм, мощность — до 18 Вт),
  • пикосекундный режим работы.

Оптический параметрический генератор (MIRA OPG):

Оптический параметрический генератор (ОПГ) выполнен на основе периодически структурированного кристалла КТР с изменяемым периодом. Высокая эффективность преобразования в нелинейно-оптическом кристалле позволяет получать излучение сигнальной волны с перестройкой в диапазоне от 1000 – 1600 нм, при этом мощность этого излучения накачки поддерживается на уровне сотен милливатт. Опция второй гармоники оптического параметрического генератора позволяет генерировать излучение в диапазоне в области 500-750 нм, а опция холостой волны — получать фемтосекундные импульсы в диапазоне от 1750 нм до 4 мкм.

Фемтосекундный  Сr:forsterite генератор:

  • длительность импульсов: 70 – 120 фс,
  • частота генерации импульсов: 33 МГц,
  • центральная длина волны: 1250 нм,
  • спектральная область перестройки: 1220 – 1280 нм,
  • средняя мощность: до 700 мВт,
  • энергия в импульсе: до 24 нДж,
  • использование насыщающегося поглотителя SESAM,
  • оптическая накачка волоконный иттербиевый лазер (длина волны — 1070 нм, мощность — до 15 Вт).

Сканирующий мультифотонный микроскоп (Thorlabs):

Характерной особенностью микроскопа является его технологичность и гибкость по сравнению со стандартными коммерческими системами для проведения двухфотонной микроскопии.  Микроскоп позволяет использовать различные длины волн излучения накачки (или их комбинации),  а также регистрировать нелинейно-оптический отклик в различных спектральных диапазонах с использованием фотоэлектронных умножителей и техники синхронного детектирования. Современные микрообъективы, в том числе зеркальные,  позволяют  использовать излучения накачки в ближней и даже средней ИК области спектра и осуществлять фокусировку излучения в области с субмикронным размером.

Технические характеристики и особенности:

  • нерезонансный галваносканер с двумя серебряными зеркалами,
  • автоматизированный транслятор микроскопного объектива,
  • компьютер с управляющей схемой и схемой оцифровки сигнала,
  • пространственное разрешение до 0.5 мкм,
  • оптическое просветление оптики микроскопа  в спектральном диапазоне 680-1400 нм,
  • оптический путь регистрации без предварительного сканирования,
  • три фотоэлектронных умножителей, оптимизированных для различных длин волн,
  • первичный и вторичный набор фильтров,
  • два-GaAs детектора регистрации без предварительного сканирования,
  • монохромная CMOS камера с глобальным затвором и USB-интерфейсом, разрешение 1280×1024,
  • программное обеспечение для сканирования и визуализации объектов.

Лаборатория волоконных и квантовых технологий

В лаборатории развиваются исследования по реализации волоконно-оптических сенсоров для использования в нейрофизиологических исследованиях. В частности, развиваются технологии получения изображений из глубоких слоев мозга с помощью размыкаемых нейроинтерфейсов на основе многосердцевинных волокон и пространственных модуляторов света. 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. В лаборатории имеется два фемтосекундных лазерных источника, набор измерительной аппаратуры, волоконный сварочный аппарат.

Фемтосекундный иттербиевый генератор ТЕМА (Авеста, Россия):

  • длительность импульсов: 150 фс,
  • частота генерации импульсов: 78 МГц,
  • центральная длина волны: 1040 нм,
  • средняя мощность: до 400 мВт,
  • использование насыщающегося поглотителя SESAM.

Фемтосекундный  иттербиевый  генератор ТЕМА (Авеста, Россия):

  • длительность импульсов: 100 фс,
  • частота генерации импульсов: 80 МГц,
  • центральная длина волны: 1040 нм,
  • средняя мощность: до 4.5 Вт,
  • использование насыщающегося поглотителя SESAM.

Пространственный модулятор света (SLM)

Лаборатория подготовки эксперимента

В лаборатории имеется набор оборудования и материалов для проведения простейших механических операций с опто-механическими элементами. Здесь установлено два современных 3D принтера для изготовления сложных пластиковых деталей, а также вытяжной шкаф, рабочее место для работы с электронными схемами и рабочее место для работы с биологическим материалом.

Лаборатория передовой фотоники Российского Квантового Центра (Сколково, Сколтех)

Группа активно сотрудничает с Российским квантовым центром (rqc.ru). Изначально лабораторное помещение располагалось в здании «Урал» Российской экономической школы. В 2019 году лаборатория сменила локализацию и располагается в здании Сколковского Технологического Института (Сколтех, Сколково). В лаборатории площадью 96 кв. м. находится оптический стенд, на котором размещена субтераватная фемтосекундная лазерная система среднего ИК диапазона, система регистрации, вакуумные и камеры высокого давления. Размер стенда позволяет проводить эксперименты с большим оптическим путем излучения, что является важным для изучения особенностей распространения мощного излучения в атмосфере.

Субтераватная фемтосекундная лазерная система среднего ИК диапазона

Система разработана в Российском квантовом центре в рамках сотрудничества с Венским техническим университетом, и по своим параметрам являлась наиболее мощной системой в мире для импульсов среднего инфракрасного диапазона. Система представляет собой сложный комплекс, состоящий из фемтосекундной задающей системы, пикосекундного лазера накачки и двух ступеней параметрического преобразователя частоты.

Задающая фемтосекундная система в своем составе имеет фемтосекундный осциллятор на кристалле Yb:KGW и одновременно является источником излучения как для фемтосекундной задающей системы на кристалле Yb:CaF2, так и для пикосекундного лазера накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов. Регенеративный усилитель задающей системы собран на основе кристалла CaF2, легированного иттербием и охлаждаемого до криогенных температур. На выходе регенеративного усилителя имеются фемтосекундные импульсы на длине волны 1.03 мкм длительностью менее 200 фс и энергией до 8 мДж. Выходное излучение задающей фемтосекундной системы с энергией порядка 1 мДж используется для преобразования длины волны в параметрическом усилителе (OPA).

Пикосекундный лазер накачки модели APL2106 является  сложной лазерной системой на основе кристалла YAG, состоящей из регенеративного усилителя и нескольких усилительных каскадов, позволяющих получить импульсы до 1 кДж длительностью менее 100 пс, что используется для накачки конечного оптического параметрического усилителя чирпированных импульсов (OPCPA).

Оптический параметрический преобразователь частоты среднего ИК диапазона состоит из фемтосекундного оптического параметрического усилителя (OPA) и оптического параметрического усилителя чирпированных импульсов (OPCPA). Импульсы с энергией 1-мДж фемтосекундной задающей системы служат для оптической накачки трехкаскадного оптического параметрического усилителя (OPA), позволяющего получить импульсы на сигнальной волне в области 1460 нм, энергия которых достигает 100 мкДж. Импульсы на длине волны 1460 нм растягиваются во времени и далее используются для затравки OPCPA в качестве холостой волны. Длительности чирпированных импульсов составляет порядка 100 пс, что соответствует длительности пикосекундного лазера накачки OPCPA.

Оптический параметрический усилитель чирпированных импульсов (OPCPA) состоит из трех каскадов на основе кристаллов KTA, используемых для параметрического усиления излучения на длине волны 1460 нм (сигнальная волна) при оптической накачке тремя каналами пикосекундным лазером на длине волны 1064 нм с энергиями (50,  250 и 700 мДж). На выходе трех каскадов усиления генерируется холостая волна на центральной длине волны 3.9 мкм, энергия которой превышает 50 мДж. После сжатия в решеточном компрессоре формируются импульсы на центральной длине волны 3.9 мкм, длительностью до 100 фс и с энергией до 30 мДж.

Схема и фотографии лазерной системы для генерации сверхмощных импульсов среднего инфракрасного диапазона, функционирующего в лаборатории Российского квантового центра (Сколково, Сколтех).

rqc_4

Пример характеризации импульсов, формируемых на выходе лазерной системы: а) карта SHG FROG,  б) его временная огибающая (сплошная кривая) и фаза (пунктирная кривая),  в) спектр (пунктирная кривая: измерения сканирующего монохроматора; сплошная кривая: измерения HgCdTe детектора) и спектральная фаза (штрих-пунктирная кривая), г) пространственное распределение пучка.

Лаборатория фотоники и квантовых технологий (Казанский Квантовый Центр, КНИТУ КАИ, Казань)

История лаборатория началась в 2014 году при поддержке Президента и Правительства Республики Татарстан, и явилась отражением идеи ускоренного развития квантовых технологий в Казани. Руководителем лаборатории является профессор А. М. Желтиков. В состав совместной лаборатории входят сотрудники, аспиранты и студенты  КНИТУ КАИ, а также сотрудники МГУ им. М. В. Ломоносова в статусе совместителей.

Лаборатория располагается на территории Казанского Квантового Центра КНИТУ-КАИ, возглавляемого профессором  С. А. Моисеевым,  и включает непосредственно лабораторное помещение, комнату для подготовки эксперимента и офис.

Базовое оборудование было поставлено в  2014-2015 гг. В лаборатории имеется фемтосекундный импульсный генератор Mira 900 (Coherent, США). Длительность  генерируемых импульсов  < 120 фемтосекунд; период повторения импульсов 75 МГц, максимальная средняя мощность на центральной длине волны 800 нм – до 4 Вт, область спектральной перестройки —  720 – 1050 нм. Система укомплектована оптическим параметрический генератором Coherent OPO с опцией генерации второй гармоники, обеспечивающей возможность  перестройки частоты лазерных импульсов в широком диапазоне от видимого до ИК диапазонов (500  – 1600 нм). При этом мощность перестраиваемого излучения  поддерживается на уровне сотен милливатт в широком спектральном диапазоне. Опция холостой волны получать  фемтосекундные импульсы в диапазоне от 1750 нм до 4 мкм.

В лаборатории имеется комплект опто-механических элементов, спектрально-измерительного оборудования (спектрометры  Ocean Optics, детекторы, включая однофотонные), нелинейно-оптические кристаллы, системы высокоточного позиционирования излучения, микроструктурированные оптические волокна и др.

Деятельность совместной  лаборатории направлена на создание интегральных волоконных устройств для генерации однофотонных состояний и разработку высокоскоростных квантовых волоконных линий связи, использующих ультракороткие фемтосекундные однофотонные импульсы света. Актуальность исследований лаборатории определяется тем, что источник однофотонных состояний (фотон – носитель информации) является основой любого устройства квантовой информации. В частности, для устройств квантовой памяти и реализации протокола квантового распределения ключа с абсолютной криптоустойчивостью. Поэтому решение этих проблем очень важно и  востребовано для успешного развития двух других лабораторий Казанского квантового центра.

Большое значение для развития лаборатории имеет выполнение Мегагранта Минобрнауки РФ  № 14.Z50.31.0040 «Световодные системы для квантовых технологий» (научный руководитель — профессор А. М. Желтиков). Основная цель Мегагранта — проведение фундаментальных и поисковых научных исследований в области разработки волноводных нелинейно-оптических методов получения квантовых состояний света для приложений квантовой оптики. В проекте решаются следующие задачи: развитие нелинейно-оптических методов генерации квантовых состояний света в световодах с активно формируемой дисперсией и нелинейностью, включая генерацию перепутанных состояний в результате четырехволнового взаимодействия в микроструктурированных световодах, сжатие света и квантовое подавление шумов в процессе нелинейно-оптических преобразований в таких подобных световодах; разработка оптоволоконных источников чистых однофотонных состояний; разработка оптоволоконных систем для создания практически значимой квантовой памяти с высокой эффективностью, большим временем жизни, высокой информационной емкостью, возможностью работы при комнатных температурах; разработка оптоволоконных квантовых сенсоров.

В рамках выполнения Мегагранта материальная база лаборатории была значительно расширена: приобретены новые опто-механические и оптические элементы для управления излучением, однофотонные детекторы, платы совпадений и счета фотонов, быстрые аналого-цифровые преобразователи, ряд непрерывных лазерных источников в диапазоне от 400 до 1000 нм, системы линейных перемещений с нанометровым разрешением, детекторы для различных спектральных диапазонов и  др.

Необходимо отметь приобретение и установку современного спектрально-измерительного оборудования, которое включает высокочувствительную охлаждаемую ПЗС-камеру (Andor), конфокальный микроскоп CM100 c моторизованной микродиафрагмой (Thorlabs, США) и монохроматор М266 (СОЛАР ЛС, Беларусь).

В настоящее время комплектация лаборатории позволяет решать самые современные задачи современной лазерной физики, нелинейной и квантовой оптики. Можно сказать, что научный и технический потенциал Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ, в состав которого входит и наша лаборатория, делает его одним из заметных центров развития оптических квантовых технологий в России.

Лаборатория взаимодействия сверхмощного излучения с веществом (НБИКС-ЦЕНТР, НИЦ «Курчатовский институт»)

Сотрудники нашей группы приняли участие в становлении и развитии лаборатории взаимодействия сверхмощного излучения  с веществом. Основу этой лаборатории составляет сверхмощный лазер «Курчатовский». Это Ti:Sapphire фемтосекундная лазерная система, поставленная французской компанией «Amplitude Systems» в 2015 году. Лазерная система включает в себя фемтосекундный генератор и несколько ступеней усиления, чирпирования и компрессии импульсов. Для оптической накачки используется ряд Nd:YAG лазеров с энергиями импульсов до нескольких джоулей.

Лазер «Курчатовский» относится  классу  к классу суб-петаваттных фемтосекундных лазерных систем с мощностью в импульсе на уровне 0.2·1015 Вт и является одним из самых мощных лазеров в Российской Федерации. Некоторые основные параметры лазерной системы приведены ниже:

  • центральная длина волны — 0.8 мкм,
  • частота повторения импульсов — 10 Гц,
  • длительность импульса — 25 фемтосекунд (25·10-15 с),
  • энергия импульса — до 7 Дж,
  • импульсная пиковая мощность — 200 ТВт.

Лазерная система позволяет генерировать релятивистские электромагнитные поля и исследовать фундаментальные вопросы взаимодействия сверхмощного излучения с веществом. Столь уникальная лазерная система предполагает коллективное использование ее ресурсов для решения различного рода задач:

  • изучение режимов множественной филаментации лазерных импульсов с энергиями до нескольких Дж в газовых средах низкого давления,
  • генерация предельно коротких лазерных импульсов с длительностью порядка одного цикла поля и суб-джоулевыми энергиями
  • достижение релятивистских интенсивностей при облучении мишеней такими импульсами,
  • исследование взаимодействия рентгеновского излучения, а также частиц, ускоренных до высоких энергий, с биологическими объектами,
  • прототипирование экспериментов на рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL),
  • генерация одиночных аттосекундных рентгеновских лазерных импульсов в релятивистском режиме на поверхности твердотельных мишеней и в газовых струях,
  • проведение памп-проб экспериментов в газовой фазе и на поверхностях твердых тел с аттосекундным временным разрешением,
  • исследование строения вещества с субатомным пространственным и временным разрешением,
  • генерация мощных терагерцовых импульсов с напряженностью поля 10 МВ/см в режиме двухцветной филаментации, и
  • сследование различных методов ускорение электронов лазерным полем (вплоть до энергий порядка нескольких ГэВ),
  • генерация электронных сгустков длительностью несколько фемтосекунд,
  • получение пучков высокоэнергетичных протонов при облучении тонкопленочных мишеней лазерными импульсами мульти-тераваттной мощности,
  • визуализация микроструктур в протонных пучках.

Спектр и огибающая импульса на выходе лазерной системы: