Close

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, О. С. Ильясов. Группа добилась заметных результатов в области развития прецизионных методов КАРС-спектроскопии для диагностики газов и плазмы. В этот период  времени (середина 80-х начало 90-х годов) работы в лаборатории последовательно возглавляли к.ф.-м.н. С. М. Гладков и к.ф.-м.н. А. А. Иванов.

Н. И. Коротеев

В 1991 году научным руководителем лаборатории стал ученик Н. И. Коротеева А.М.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, развитием метода КАРС-спектроскопии для исследования объектов различной природы, исследованием новых оптических устройств на основе фотонных кристаллов, а также идеями реализации трехмерной оптической памяти в фоточувствительных материалах.

А. М. Желтиков

В середине 90-х годов прошлого века в основном сформировался облик научной группы, когда она обрела свое собственное название — «фотоники и нелинейной спектроскопии», и в лаборатории 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 А. Н. Наумов (к.ф.-м.н., 1999) и Д. А. Акимов (к.ф.-м.н.,  2001).

В первом десятилетии XXI века основные 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  опубликовано более 250 работ в ведущих научных журналах и получено несколько патентов, также развивалось активное сотрудничество с различными отечественными институтами и университетами в России (ГОИ им.Вавилова (Санкт-Петербург) и ООО «ТОСС» (Саратов)), 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 и учебно-методических разработок и глав в монографиях. 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 веществом и 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 в области лазерной физики и физики сверхкоротких импульсов. С 2009 года группа также начала работать в лаборатории 3-12 КНО, в которой проводятся исследования, связанные с созданием волоконно-оптических источников сверхкоротких лазерных импульсов.  Эта лаборатория находится в полном распоряжении группы  с 2013 года. При финансовой поддержке Российского Квантового Центра была выполнена перестройка помещения с целью создания современного лабораторного и офисного пространства.

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 совместных 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 госконтракта реализованы и испытаны несколько прототипов нейроинтерфейсов для эндоскопической визуализации нейронной активности клеток мозга свободноподвижных животных с клеточным разрешением, получено пять патентов. В настоящее время развитие методик применения различных типов оптоволоконных нейроинтерфейсов для нейрофизиологических задач продолжается в рамках сотрудничества с институтом перспективных исследований мозга МГУ имени М. В. Ломоносова, который в возглавляет академик РАН, профессор  К. В. Анохин.

В начале второго десятилетии группа начала активно развивать направление, связанное с генерацией высокоэнергетичных сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона, а также исследованием нелинейно-оптических явлений при их распространении и взаимодействии с различными объектами. Большое значение для развития этого направления и группы в целом стало начало сотрудничество с Российским Квантовым Центром (ООО «МЦКТ», rqc.ru). В рамках Российского Квантового Центра (РКЦ) была организована группа передовой фотоники во главе с А.М.Желтиковым, в которую вошли основные сотрудники нашей лаборатории. (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 пяти лет на этой установке было получено заметное количество приоритетных результатов, связанных с особенностями распространения импульсов среднего ИК диапазона в атмосфере и газовых средах 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.

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» был изготовлен французской фирмой Amplitude Systems и относится 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. 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. А. А. Воронин (к.ф.-м.н., 2013) является координатором и основным специалистом по численному моделирования в нашей группе. В частности, диссертационная работа Д. А. Мещанкина (к.ф.-м.н., 2017) была посвящена теоретическим вопросам генерации предельно коротких импульсов.

Продолжая традиции исследований в области нелинейной спектроскопии, в наших лабораториях в МГУ интенсивно развивается это направление. С использованием линейки фемтосекундных лазерных источников на кристаллах титаната сапфира (Ti:Sapphire, хром-форстерита (Cr:forstrite), иттербия, а также перестраиваемых источников (оптических параметрических усилителей и микроструктурированных световодов) реализуются различные схемы нелинейно-оптической спектроскопии и микроскопии. Нами используется нелинейно-оптические 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). В рамках последнего направления  большое место занимает сотрудничество с группой профессора В. В. Белоусова (Институт биоорганической химии РАН (ИБХ 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.

Тематика генерации и использования  предельно коротких импульсов в среднем инфракрасном диапазоне также активно развивается непосредственно 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 импульсов микроджоулевого уровня энергии  во всем диапазоне среднего инфракрасном спектра (были получены импульсы с длительностью менее одного цикла поля). 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, нами была исследована динамика и структура электронных состояний в полупроводниковых структурах, что может быть использовано для реализации различных сверхбыстрых оптоэлектронных устройств с петагерцовой тактовой частотой (Е. А. Степанов). 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 ИК-спектроскопия).

В последнее несколько лет в группе начали активно развиваются работы в области квантовой оптики, где развиваются два направления. Во-первых, это реализация новых эффективных и ярких источников квантовых состояний света  на основе микроструктурированных волокон, и их применения 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. При этом использование волоконных технологий позволяет производить измерения температуры и магнитного поля в эндоскопическом режиме, что очень 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 совместная лаборатория фотоники и квантовых технологий. Финансовая поддержка лаборатории осуществляется правительством Республики Татарстан и Мегагрантом 14.Z50.31.0040  «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.

Доска с автографами гостей нашей лаборатории 5-08 КНО