Нелинейная оптика в фокусе молодого ученого

В январе 2013 года 8 кандидатов и один доктор наук в Красноярске получили гранты Президента РФ в рамках господдержки молодых российских ученых. Сегодня интервью с одним из них.

Знакомьтесь, Андрей Вьюнышев — научный сотрудник лаборатории когерентной оптики, кандидат физико-математических наук, работает в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН. Деньги от президента пойдут на научную работу на тему «Стохастический квазисинхронизм и нелинейная дифракция черенковского типа в нерегулярных доменных структурах».

В лаборатории, где работает Андрей, меня сразу приятно удивили порядок и своеобразное изящество в размещении научного оборудования, не всегда свойственные научным лабораториям.

На большом оптическом столе располагалась лазерная система, множество оптических элементов и собственно сам исследуемый образец — кристалл, выращенный в лаборатории кристаллофизики.

Андрей, чем вы занимаетесь?

Наши исследования относятся к области нелинейной оптики. Здесь мы изучаем оптические явления, которые зависят от интенсивности падающего на среду лазерного излучения. Материалы, с которыми мы имеем дело — это обширный класс нелинейных сред.

Сейчас изучаем кристаллы тетрабората стронция. У этих кристаллов слоистое строение, так называемая, доменная структура, проходя через которую, свет меняет свою частоту и ряд других характеристик. Особенность конкретно этих кристаллов — их нерегулярность, то есть толщина отдельных доменов изменяется произвольным образом вдоль структуры. Насколько нам известно, красноярский Институт физики — единственное место в мире, где умеют получать эти структуры.

В чем суть научных исследований?

Когда через кристалл тетрабората стронция, содержащий доменные структуры, пропускается лазерный луч, то на выходе из кристалла, кроме падающего лазерного луча, появляется дополнительный луч. Этот луч возникает из-за нелинейно-оптического взаимодействия световых волн внутри доменной структуры.

В зависимости от того, распространяется ли лазерное излучение в плоскости доменов или падает нормально, физические картины существенно отличаются. В таких структурах есть два рода явлений: «стохастический квазисинхронизм» и «нелинейная дифракция черенковского типа». Мы исследуем генерируемое излучение, чтобы понять физическую картину наблюдаемого явления, а также установить какие факторы вносят вклад в его формирование и какова их роль. Часть из этих факторов мы контролируем и можем использоваться для проверки адекватности теоретической модели эксперименту.

Сейчас мы планируем изучить эти процессы при прохождении сверхкоротких импульсов (импульсы короче 1 пикосекунды = 10-12 с) через кристалл. Сочетание нерегулярной структуры и сверхкоротких импульсов приводит к интересным особенностям, которые проявляются в спектрах генерируемых излучений, в том числе, в их пространственно-временных характеристиках.

Что особенного именно в этом исследовании?

Тетраборат стронция пропускает свет в диапазоне длин волн 120-3200 нм. Нас интересует коротковолновая часть его полосы прозрачности. Этот кристалл является единственной кристаллической средой, пригодной для генерации излучения на столь коротких длинах волн.

Например, японские исследователи при поддержке Nikon Corp. активно ведут работы по созданию периодической структуры в кристаллах кварца, в которых впервые наблюдался нелинейно-оптический эффект генерации второй гармоники, то есть генерации излучения с длиной волны вдвое меньше исходной. Японцы прикладывают механические напряжения к исследуемым образцам для имитации доменной структуры, которая исчезает вместе со снятием нагрузки. Таким способом они рассчитывают получить излучение в спектральном диапазоне вплоть до коротковолновой границы прозрачности кварца (на длинах волн до 150 нм). Недостатком такой техники является использование механических воздействий на кристалл, что снижает интерес к данной технике с эксплуатационной точки зрения. В этом смысле кристаллы тетрабората стронция, содержащие доменные структуры, являются более привлекательными, особенно в спектральном диапазоне 120-150 нм, где им нет альтернативы.

Продвижение в коротковолновую область интересно с точки зрения создания установок лазерной нанолитографии и развития технологий наноструктурирования вещества. Такие технологии используют при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных схем в оптоэлектронике. С другой стороны, у нас имеется уникальная возможность изучить такие редкие явления как «нелинейная дифракция» и «стохастический квазисинхронизм».

Какие приборы, методы исследования помогают получать вам новые знания?

Наш основной инструмент — фемтосекундный лазер Tsunami (Spectra-Physics, Inc.), он является источником основного излучения. Также используется различная диагностирующая аппаратура (спектрометры, детекторы излучения, средства автоматизации и т. д.). Часто нам важно знать последовательность доменов по толщине вдоль структуры. Для этого мы последовательно измеряем толщины отдельных доменов с помощью оптического микроскопа, а в случае субмикрометровых доменов прибегаем к помощи электронной микроскопии.

Мы идем в ногу со временем и большое значение уделяем автоматизации экспериментов, поскольку изучаемые явления имеют все более «тонкую» природу и требуют сбора и обработки больших объемов экспериментальных данных.

Есть ли какие-то ограничения в проведении исследований?

Заявка на грант написана с учетом достижимости заявленных результатов. В этом смысле грант является самодостаточным. Нашей голубой мечтой является разработка технологии «управляемой рандомизации», которая позволит создавать нерегулярные доменные структуры с заданной статистикой распределения доменов по толщине.

Такие структуры будут оптимизированы для реализации конкретных нелинейно-оптических процессов в заданных спектральных областях, например, в области длин волн 120-150 нм, что существенно повысит конкурентоспособность таких изделий в практических применениях. Однако разработка подобной технологии требует значительных финансовых вложений и человеческих ресурсов.

Насколько далеко продвинулись зарубежные ученые в этой области?

Подобные исследования проводят крупные научно-исследовательские группы в Австралии, Израиле, Германии и Китае. В России такие исследования проводятся в МГУ. Мы не только равняемся на эти группы, но и стараемся выполнять оригинальные работы, результаты которых будут интересны нашим коллегам. В отличие от зарубежных групп у нас пока не отлажены механизмы изготовления доменных структур с заданным дизайном. В этом мы им уступаем.

Находят ли отражение новые знания в реальной жизни?

Последние 10-15 лет активно развивается семейство наук, связанных с использованием сверхкоротких импульсов. Например, фемтосекундные импульсы (1 фемтосекунда = 10-15 секунды) уже находят применение при микроструктурировании материалов и даже используются при проведении офтальмологических операций (в нашем городе проводят такие операции).

Фемтосекундные импульсы позволяют достичь более высоких результатов менее болезненным путем. В большинстве случаев необходимо контролировать длительность фемтосекундных импульсов, и наши кристаллы будут полезны для этих целей.

Ученые Института физики во главе с Александром Зайцевым начали заниматься опытным выращиванием кристаллов тетрабората стронция достаточно давно, однако достичь значительных результатов удалось только в последнее время. Это достаточно распространённая в мире ситуация, когда на развитие технологии уходит много времени и сил, прежде чем появляются первые плоды. Сейчас научные работники института активно исследуют процессы нелинейной оптики. В результате опубликован ряд статей в российской и зарубежной научной печати. С некоторыми из них в соавторстве с Андреем Вьюнышевым можно ознакомиться здесь.