Регистрация / Вход
Прислать материал

Взаимодействие коротких импульсов лазерного излучения с веществом и спектроскопия высокого разрешения

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0222
Организация
НИЯУ МИФИ
Руководитель работ
Крохин Олег Николаевич
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
12,6 млн
Внебюджетные средства
3 млн

Информация отсутствует

Соисполнители

Организация
ФИАН

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 31.10.2009
Приложение № 3 к Временному регламенту
приемки выполненных работ (этапов работ) по
государственным контрактам, заключенным
в рамках ФЦП «Научные и
научно-педагогические кадры
  инновационной России»
на 2009-2013 годы

АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 1
Техническое обоснование принятого направления исследований и уточнение способов решения поставленных задач в исследовании взаимодействия лазерных импульсов с веществом
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 7 июля 2009 г. № 02.740.11.0222.


Шифр: «2009-1.1-122-052-025»
Период выполнения этапа 7 июля 2009 года – 31 октября 2009 года
Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Каширское шоссе, д.31
Цель работы 1. Разработка фундаментальных основ и физико-технических принципов получения мощных фемтосекундных импульсов в гибридных системах на основе газовых фотохимических усилителей.
2. Разработка новых активных лазерных сред с широкой полосой усиления на основе соединений A2B6 для создания на их основе лазерных источников фемтосекундных импульсов в ИК-диапазоне и в диапазоне терагерцового излучения на структурах A3B5 для создания измерительных и диагностических средств нового поколения.
3. Фундаментальные исследования взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с веществом, исследования оптических свойств новых сред, обладающих отрицательным преломлением.
4. Решение фундаментальной проблемы нанофотоники, связанной с исследованием фотофизических и нелинейно-оптических явлений, индуцированных импульсным лазерным излучением в конденсатах полупроводниковых квантовых точек и многослойных структурах на их основе, в системах квантовых ям во внешних магнитных полях.
5. Фундаментальная проблема точного расчета бозе- и ферми-систем.

1. Наименование разрабатываемой продукции
Методика получения и комплексного исследования пленок полупроводниковых квантовых точек.
Результаты исследований параметрического взаимодействия импульсов трех волн в квадратично нелинейной среде.
Физическая модель, учитывающая электрон-электронное и электрон-фононное взаимодействия в сверхрешётках GaAs/AlGaAs в сильном поперечном магнитном поле.
Экспериментальный стенд для проведения исследований по генерации терагерцового излучения на структурах А3В5 и широкозонных материалах ультракороткими импульсами фемтосекундного лазера.
Физические параметры бозе-конденсата и ферми-систем в оптических решетках.
Измерение радиометрических характеристик цифровых матричных фотоприемников для применения в цифровой голографии.
Лабораторная технология выращивания монокристаллов соединений А2В6, легированных переходными металлами, из паровой фазы.
Исследование оптического отклика металла, облучаемого мощным импульсом фемтосекундного лазерного излучения, с учетом неоднородного распределения горячих электронов в скин-слое металла.
Диагностика неравновесных состояний электронной подсистемы металла по его оптическому отклику.
Разработка и изготовление вакуумного диода, электродов установки плазменный фокус; подготовка экспериментальной установки (лазерных систем, вакуумной камеры, корпускулярных диагностик, диагностик рентгеновского излучения, электрических характеристик разряда и др.) к проведению исследований.
Разработка алгоритма расчета для численного моделирования активных сред и многопроходных схем усиления фемтосекундных импульсов.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 1 этапе:
Разработана методика получения и комплексного изучения свойств пленок полупроводниковых квантовых точек, включающая в себя атомно-силовую микроскопию, люминесцентную спектроскопию, лазерную интерферометрию, Z-сканирование и спектрометрию ионной подвижности.
На основе данных пленок наночастиц и органических полупроводников были созданы многослойные структуры и проведены предварительные исследования их фотовольтаический свойств.
Теоретически описано распространение импульсов накачки и второй гармоники в квадратично нелинейной среде, линейные свойства которой характеризуются отрицательным показателем преломления на частоте накачки и положительным показателем преломления на частоте гармоники.
Разработана физическая модель, учитывающая электрон-электронное и электрон-фононное взаимодействия в сверхрешётках GaAs/AlGaAs в сильном поперечном магнитном поле.
Создан экспериментальный стенд для проведения исследований по генерации терагерцового излучения на структурах А3В5 и широкозонных материалах ультракороткими импульсами фемтосекундного лазера.
Квантовым методом Монте-Карло смоделирован ультрахолодный бозе- и ферми-газ в оптической решетке с параболическим потенциалом.
Проведены измерения радиометрических характеристик цифровых камер различного ценового диапазона и назначения.
Разработана лабораторная инструкция выращивания монокристаллов соединений А2В6, легированных ионами переходных материалов, из паровой фазы.
В условиях высокочастотного скин-эффекта найдены коэффициенты отражения s и p-поляризованных волн, падающих на металл с неоднородно нагретыми электронами.
Разработан и реализован коаксиальный вакуумный диод и коаксиальные электроды установки «плазменный фокус».
Для исследования энергетических характеристик и зарядового состава ионного потока из плазмы разрядов реконструирован и апробирован одноканальный электростатический анализатор типа «плоский конденсатор».
Для проведения времяпролетных измерений подготовлен ионный коллектор. Для исследования динамики электроразрядной плазмы лабораторная установка оснащена комплексом рентгеновских диагностик.
Проведены теоретические исследования и компьютерное моделирование ускорения высокоэнергетичных ионов интенсивными ультракороткими лазерными импульсами.
Разработана самосогласованная теория поглощения, нагрева и переноса энергии при взаимодействии коротких лазерных импульсов высокого контраста с твердотельной мишенью.
Предложен новый метод ускорения легких ионов из мишеней сложного атомного составаи проведено трехмерное численное моделирование.
Разработан и создан канал для регистрации рентгеновского излучения лазерной плазмы.
Разработан пакет программ для численного моделирования активной среды фотохимического XeF(C-A)-усилителя и многопроходных схем усиления в нем фемтосекундных импульсов.
  Результаты проведенных работ соответствуют требованиям задания.
2.2. Новизна применяемых решений.
Модернизирован метод осаждения полупроводниковых квантовых точек из сильно неравновесных растворов, что позволило получить пленки с предельной концентрацией квантовых точек и уникальными физическими свойствами.
Выражение для уединенной двухчастотной волны, распространяющуюся в определенном направлении как одно целое, как и условия ее существования были получены впервые.
Для генерации излучения терагерцового диапазона предлагается использовать возбуждение полупроводниковой структуры импульсным фемтосекундным лазером.
Исследование сверхрешёток и оптических решеток в рамках построенной физической модели требует применения новых высокопроизводительных вычислительных методов, в том числе оригинальных квантовых методов Монте-Карло, на мировом уровне и превышающих мировые аналоги.
При оценке возможностей применения бытовой цифровой фотокамеры для регистрации цифровых голограмм, использовалась линеаризация её выходных сигналов, что позволило достичь значения линейного динамического диапазона типичного для научных измерительных камер.
Разрабатываемая технология позволяет получить активные кристаллы с меньшей концентрацией дефектов, чем используемые технологии выращивания из расплава и методы твердофазной диффузии.
Разрабатываемая теория наиболее полно описывает влияние динамики неравновесного состояния электронной подсистемы металла при воздействии на него мощных импульсов фемтосекундного лазерного излучения на его нестационарный оптический отклик.
Новизна применяемых решений состоит в том, что впервые создан программный продукт для расчета усилителя, в котором в качестве многопроходной схемы усиления используется оптическая ловушка.
Разрабатываемая аппаратура находится на мировом уровне и не уступает лучшим образцам экспериментальной техники в своей области.
Проведенные в НИР теоретические и экспериментальные исследования выполнены на высоком научно-техническом уровне. Экспериментальные исследования выполнялись на установках, не имеющих аналогов в мире. Ряд результатов получен впервые. Результаты актуальны и соответствуют мировому уровню, что подтверждается их публикациями в ведущих российских и зарубежных журналах и соответствуют требованиям технического задания.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Впервые использован метод лазерно-индуцированной люминесценции для контроля за степенью очистки квантовых точек от поверхностно-активных молекул.
Результат расчета уединенной двухчастотной волны получен не численно, как обычно, а аналитическими методами.
  Для генерации излучения терагерцового диапазона впервые предлагается использовать возбуждение полупроводниковой структуры импульсным фемтосекундным лазером.
Модель электрон-фононного взаимодействия была построена на основе литературных данных. Моделируемая оптическая решетка и ультрахолодный газ по параметрам полностью соответствуют эксперименту.
Особенностью разрабатываемого метода является дозирования паров исходных компонент в процессе выращивания кристалла для достижения однородного распределения легированной примеси по объему кристалла.
Особенностью развиваемой теории является детальный учет физических процессов, протекающих при воздействии на металлы мощных импульсов фемтосекундного лазерного излучения.
Особенностью разрабатываемой экспериментальной техники является возможность проведения комплексных исследований лазерной плазмы и плазмы сильноточного плазмофокусного разряда в рентгеновском диапазоне спектра.
Проведенное теоретическое исследование основано на теоретических оценках эффективности ускорения частиц и уникальном трехмерном численном моделировании методом «частица-в-ячейке».
Особенностью разработки является то, что время усиления ультракороткого импульса в активной среде, равное длительности ее накачки, почти на порядок превышает время релаксации активной среды.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Отсутствуют.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Пленки полупроводниковых квантовых точек могут найти применение при создании нового поколения оптоэлектронных устройствах (фотовольтаических элементов, светодиодов и т.д.).
Областью применения полученных результатов является нелинейная оптика сред с отрицательным преломлением, которая в настоящий момент стремительно развивается. Исследование параметрических процессов в этой области вызвано желанием найти способы компенсации потерь в таких средах, в частности за счет параметрического усиления.
Разработанная модель взаимодействий в сверхрешётке может быть быть использована для разработки оптических и ИК-датчиков на основе полупроводниковых сверхрешёток.
Полученные результаты будут использованы при разработке принципиально новых технологий создания устройств генерации излучения терагерцового диапазона.
Рассчитанные характеристики ультрахолодного газа в оптической решетке могут быть напрямую сопоставлены с имеющимися экспериментами по бозе-конденсату и дать информацию о физике фазовых переходов вещества при сверхнизких температурах.
Кристаллы, полученные с помощью разрабатываемой технологии, могут использоваться как активные среды лазеров среднего ИК диапазона, а также как пассивные затворы для модуляции добротности резонатора лазера.
Оптические методы, основанные на измерении временного изменения коэффициента отражения излучения в схеме эксперимента “греющий - пробный” импульсы излучения, являются одними из немногих прямых методов исследования динамики неравновесных состояний электронной подсистемы металлов в фемтосекундном масштабе времён.
Оптические методы позволяют определять такие кинетические характеристики электронов в металлах как частота электрон - электронных столкновений и время передачи энергии от электронов кристаллической решетки.
Создаваемая диагностическая аппаратура может быть использована для экспериментальных исследований рентгеновского излучения горячей плотной плазмы, возникающей при воздействии лазерного излучения, пучков тяжелых или легких ионов на вещество, плазмы образующейся в сильноточных плазмофокусных разрядах, вакуумных разрядах, мощных пинчах с целью получения мощного источника рентгеновского и нейтронного излучений, плазменных и корпускулярных потоков.
Полученные результаты помимо фундаментального значения могут быть использованы для проектирования компактных лазерных ускорителей ионов и источников рентгеновского и нейтронного излучений.
Созданный программный продукт относится к области знаний, связанной с физикой лазеров, в частности, результаты могут быть использованы при моделировании многопроходных схем усиления коротких и ультракоротких импульсов в активных лазерных средах с произвольным временем релаксации активной среды.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
На основе полученных результатов написано методическое пособие по нанофотонике для слушателей факультета повышения квалификации НИЯУ МИФИ.
Разрабатываемые подходы численного моделирования используются в курсе компьютерного практикума и «вычислительных методов квантовой физики» и будут учтены при создании учебных пособий. Также будут модернизированы курсы «Физика фазовых переходов в конденсированных средах» и «Современные проблемы физики твердого тела», читаемые на старших курсах МИФИ. Результаты войдут в материал монографии «Численные методы квантовой статистики. Результаты проведенных исследований будут отражены в лекционном курсе «Физическая оптика» и «Интегральная оптика».
На основе полученных результатов подготовлен лаборатоный практикум для студентов 5 го курса кафедры «Лазерная физика» НИЯУ «МИФИ».
Полученные результаты будут использованы в курсе лекций «Оптические методы обработки информации».
Студентами МИФИ был разработан пакет программ (в части моделирования активной среды) и МФТИ (в части моделирования многопроходной оптической схемы усиления). По материалам разработки студентом МФТИ была подготовлена квалификационная работа на степень бакалавра. Наряду с этим планируется также включить данные материалы в выпускные квалификационные работы вышеупомянутых студентов. Таким образом, данная научно-исследовательская работа является составной частью образовательного процесса.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов.
Полученные результаты будут использованы аспирантами в своих диссертационных работах, послужат более быстрому освоению студентами, практикантами и дипломниками специальности, будут способствовать развитию научных и педагогических связей между НИЯУ МИФИ, ФИАН и региональными университетами, работе Высшей Школе Физиков им. Н.Г.Басова МИФИ-ФИАН, Высшего Физического Колледжа РАН.
Полученные на данном этапе результаты могут быть применены в различных областях науки и техники для регистрации и измерений световых пространственных распределений.
Разрабатываемые теории позволяет создать детальную картину физических процессов при взаимодействии мощных фемтосекундных лазерных импульсов с веществом.
Разрабатываемые технологии позволяет получать в России ряд новых кристаллов, которые еще не использовались в качестве активной среды лазеров нигде в мире.
Разрабатываемая техника позволяет проводить эксперименты на мировом уровне, что привлекает молодежь, интересующуюся наукой, принимать в них активное участие.
Заданные индикаторы достигнуты.
4. Выводы
В ходе выполнения научно-исследовательских работ отчетного этапа
модернизирован метод получения пленок квантовых точек с предельно высокими концентрациями, что позволяет использовать пленки в задачах создания фотовольтаических элементов нового поколения,
построена физическая модель полупроводниковых сверхрешёток в сильном поперечном магнитном поле, учитывающая электрон-фононное и электро-электронное взаимодействие. Показано, что при низкой температуре и подборе ширины ямы главный вклад вносят процессы электрон-электронного рассеяния.
Создан экспериментальный стенд для проведения исследований по генерации терагерцового излучения на структурах А3В5 и широкозонных материалах ультракороткими импульсами фемтосекундного лазера, что обеспечивает экспериментальную базу для создания ряда измерительных и диагностических приборов нового поколения с рекордно высокими рабочими характеристиками
Получено впервые выражение для уединенной двухчастотной волны, распространяющейся в определенном направлении как одно целое, как и условия ее существования.
Получены оболочечные структуры в ультрахолодном газе оптической ловушки, построены фазовые диаграммы эффекта.
В целом все работы, предусмотренные ТЗ и КП первого этапа, выполнены в полном объеме.


Руководитель работ по проекту
руководитель ОКРФ ФИАН, академик РАН ________________ О.Н.Крохин
___ __________ 2009 г.
М.П.
Развернуть
2
01.11.2009 - 15.12.2009
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 2
Отладка методики исследования, алгоритмов расчета и эксперимента лазерного воздействия на новые материалы
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 7 июля 2009 г. № 02.740.11.0222.

Шифр: «2009-1.1-122-052-025»
Период выполнения этапа 1 ноября 2009 года – 15 декабря 2009 года
Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Каширское шоссе, д.31
Цель работы 1. Разработка методики формирования многослойных структур на базе пленок и матриц полупроводниковых квантовых точек и органических полупроводников и их исследования методом атомно-силовой микроскопии и люминесценции.
2. Анализ предельных случаев, допускающих аналитическое решение систем уравнений, описывающих нерезонансное параметрическое.
3. Исследование спектральных характеристик сверхрешёток при различных параметрах квантовых ям и внешних полей.
4. Разработка системы прецизионного координатного позиционирования образцов полупроводниковых структур при импульсном воздействии излучения фемтосекундного лазера.
5. Визуализация данных по бозе-газу. Детальное сопоставление с экспериментальными данными.
6. Измерение шумовых характеристик цифровых матричных фотоприемников и оценка их влияния на параметры цифровых голограмм.
7. Исследование кинетики формирования наноструктур на поверхности материалов при воздействии на них импульсов лазерного излучения фемтосекундной длительности.
8. Совершенствование методик для оптической диагностики высокотемпературной плазмы и исследования возникающих в ней магнитных полей. Разработка новой схемы трех-канального поляроинтерферометра, позволяющей регистрировать динамику развития плазмы с высоким временным и пространственным разрешением.
9. Создание макета нового трехканального поляроинтерферометра с зондирующим импульсом короткой длительности.
10. Разработка схемы спектрографа с пропускающей дифракционной решеткой для регистрации мягкого рентгеновского излучения плазмы.
11. Разработка физической модели генерации быстрых электронов под действием мощного ультракороткого лазерного импульса в виде направленного пучка для различных типов мишеней (твердотельные, газовые, микроструктуированные).
12. Проведение патентных исследований.

1. Наименование разрабатываемой продукции
Методика формирования многослойных структур на базе пленок и матриц полупроводниковых квантовых точек и органических полупроводников.
Результаты исследований структурного качества кристаллов соединений А2В6 с ионами переходных металлов, зависимости концентрации легирующей примеси и ее распределения по объему кристаллов от условий выращивания из паровой фазы.
Аналитическое выражение для соотношения Мэнли-Роу в случае параметрических процессов между прямыми и обратными волнами в прозрачных метаматериалах, когда частота несущей волны накачки лежит в области спектра, отвечающего отрицательному преломлению
Условие, при котором импульсы прямой и обратной волны могут образовать симултон • уединенную двухчастотную волну, распространяющуюся в определенном направлении как одно целое. Аналитическое выражение, описывающее генерацию третьей гармоники в кубично нелинейном метаматериале в поле непрерывного излучения излучения и в кристалле конечной протяженности.
Данные по временам электрон-электронных переходов между уровнями Ландау различных подзон в квантовой яме в квантующем поперечном магнитном поле.
Система прецизионного координатного позиционирования образцов полупроводниковых структур при импульсном воздействии излучения фемтосекундного лазера.
Данные по визуализации пространственного распределения частиц в магнито-оптической ловушке. Детальное сопоставление данных с имеющимися экспериментальными результатами.
Радиометрические характеристики цифровых матричных фотоприемников для применения в цифровой голографии.
Теория процессов кинетики модификации поверхности металлов, реализуемых при рекристаллизации при воздействия лазерных импульсов ультракороткой длительности.
Усовершенствование методик для оптической диагностики высокотемпературной плазмы и исследования возникающих в ней магнитных полей. Разработка новой схемы трехканального поляроинтерферометра, позволяющей регистрировать динамику развития плазмы с высоким временным и пространственным разрешением.
Макет нового трехканального поляроинтерферометра с зондирующим импульсом короткой длительности.
Разработка схемы спектрографа с пропускающей дифракционной решеткой для регистрации мягкого рентгеновского излучения плазмы.
Физическая модель генерации быстрых электронов мощными ультракороткими импульсами в виде направленного пучка из твердотельных и газовых мишеней
Опытная партия кристаллов ZnSe:Cr, ZnSeTe:Fe, CdSe:Cr и CdS:Cr с концентрацией ионов переходных металлов в диапазоне 1017 – 2*1018 см-3 для лазеров среднего ИК диапазона.
Результаты исследований кинетики люминесценции кристаллов ZnSe:Cr, ZnSeTe:Fe, CdSe:Cr и CdS:Cr.
Отчет о патентных исследованиях в области лазерно-индуцированной ионизации молекул. Отчет о патентных исследованиях устройств лазеров ИК диапазона на кристаллах соединений А2В6 с ионами переходных металлов, а также способов изготовления активных элементов.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 1 этапе:
Разработана методика формирования многослойных структур на базе органических полупроводников, пленок и матриц полупроводниковых квантовых точек. Она включает в себя методику формирования слоев полупроводниковых квантовых точек CdSe и CdSe/ZnS из сильнонеравновесных растворов, получения матриц квантовых точек в органических полупроводниках, создание слоев органических полупроводников, методику напыления фотопроводников типа фталоцианина меди, а также технологию напыления металлических контактов на слои квантовых точек. Для исследования слоев использовались методы атомно-силовой микроскопии и лазерно-индуцированной люминесценции.
Определена зависимость концентрации ионов переходных металлов от температуры роста, температурного градиента, газа наполнителя и конструктивных особенностей ростовой ампулы при выращивании кристаллов ZnSe:Cr, ZnSeTe:Fe, CdSe:Cr и CdS:Cr из паровой фазы. Построена модель массопереноса в газовой фазе, хорошо описывающая экспериментальные результаты.
Выращены кристаллы ZnSe:Cr, ZnSeTe:Fe, CdSe:Cr, CdS:Cr и CdSe:Fe с концентрацией ионов переходных металлов в диапазоне 1017 – 2*1018 см-3 и объемом от 8 см3 и выше.
Обнаружены преципитаты второй фазы Сd в кристаллах CdSe:Cr и CdS:Cr, являющиеся центрами рассеяния ИК излучения. Разработана технология послеростовых отжигов, позволяющая удалять избыток Cd. Измерены времена жизни возбужденного состояния в кристаллах CdS:Сr, ZnSeTe:Fe.
  Найдено выражение для обобщенного соотношения Мэнли-Роу в случае параметрических процессов между прямыми и обратными волнами в прозрачных метаматериалах, когда частота несущей волны накачки лежит в области спектра, отвечающего отрицательному преломлению. Установлено, что при генерации третьей гармоники достаточно мощные импульсы прямой и обратной волны могут образовать симултон, то есть, уединенную двухчастотную волну, распространяющуюся в определенном направлении как одно целое. Получено аналитическое выражение, описывающее генерацию третьей гармоники в кубично нелинейном метаматериале в поле непрерывного излучения и в кристалле конечной протяженности.
Создан численный алгоритм для расчёта времен переходов между уровнями Ландау различных подзон в широкой квантовой яме GaAs/AlGaAs (x=0.3) за счёт электрон-электронного рассеяния. Проведены расчёты времени жизни электрона на втором уровне Ландау первой подзоны. Построена зависимость времени жизни от величины магнитного поля и ширины квантовой ямы.
Разработан и изготовлен 3-х координатный позиционер поступательного типа координатного стола с приводом фокусировки. Система позволяет прецизионно перемещать образцы полупроводниковых структур при импульсном воздействии излучения фемтосекундного лазера.
Представлены данные по визуализации профиля распределения плотности бозе-газа по радиусу от центра магнито-оптической ловушки. Продемонстрированы оболочечные структуры, которые совпадают с наблюдаемым на эксперименте распределением.
Проведены измерения шумовых характеристик цифровых камер различного ценового диапазона и назначения: бытовой цифровой фотокамеры Canon EOS 400D, видеокамеры технического зрения PixeLink PL-B781F и научной измерительной камеры MegaPlus II ES11000 для оценки влияния их их влияния на параметры цифровых голограмм.
Собрана и отъюстирована экспериментальная установка, которая позволяет измерять шумовые характеристики цифровых камер.
Найдены темновые шумы для трёх камер, как пространственные, так и временные. Получены значения пространственной неоднородности фоточувствительности для исследовавшихся камер. Экспериментально получены зависимости световых временных шумов от величины цифровых сигналов камер. Полученные результаты позволяют использовать все исследовавшиеся камеры в качестве измерительных приборов с известной погрешностью, в.т.ч. для записи цифровых голограмм. Найденные константы пересчёта цифрового сигнала в число электронов, образованных светом, дают возможность при известной квантовой эффективности определять количество фотонов в световом распределении.
Получено аналитическое решение кинетического уравнения для функции распределения числа кристаллитов по размерам в условиях сверхбыстрых скоростей охлаждения приповерхностных слоев металла, облучаемого фемтосекундными импульсами лазерного излучения.
Усовершенствована методика для оптической диагностики высокотемпературной плазмы и исследования возникающих в ней магнитных полей. В частности, применена методика регистрации трех изображений плазмы, а именно, поляризационного, интерференционного и теневого, в трех диагностических каналах, но с использованием одного оптического тракта.
Разработана новая схемы трехканального поляроинтерферометра, позволяющего регистрировать динамику развития плазмы с высоким временным и пространственным разрешением. Расчетное пространственное разрешение по плазме данного поляроинтерферометра составляет 20 мкм. Разрешение по времени достигается использованием задающего генератора зондирующего лазера с возможностью перестройки длительности лазерного импульса в пределах от 0.3 до 1.5 нс, а также изменением оптической задержки зондирующего лазерного пучка по отношению к греющему.
Создан макет нового трехканального поляроинтерферометра с использованием двулучепреломляющих клиньев и призм Глана, размещенных в одном оптическом тракте и создающих три диагностических канала.
Разработана схема спектрографа с пропускающей дифракционной решеткой для регистрации мягкого рентгеновского излучения плазмы. Спектрограф будет обеспечивать спектральное разрешение =102 с возможностью регистрации спектров как на фотопленку, так и на матрицу цифрового детектора.
На основе численного моделирования методом «частица в ячейке» разработана физическая модель генерации быстрых электронов под действием мощных ультракоротких лазерных импульсов из твердотельных и газовых мишеней.
  Патентные исследования в области лазерно-индуцированной ионизации молекул, сорбированных на поверхности наноструктур показали эффективность этого метода для разработки безфрагментационных источников как положительных, так и отрицательных ионов для масс-спектрометров и спектрометров ионной подвижности.
  Результаты проведенных работ соответствуют требованиям задания.
2.2. Новизна применяемых решений.
Впервые, для создания фотовольтаических структур использованы очищенные от поверхностно активных молекул пленки квантовые точки с высокой концентрацией.
Разработанная технология позволила получить новые активные кристаллы CdSe:Cr, CdS:Cr и CdSe:Fe с гексагональной кристаллической решеткой типа вюрцита с низкой концентрацией дефектов и реализовать на них впервые генерацию в среднем ИК диапазоне.
Выражение для соотношения Мэнли-Роу в случае генерации третьей гармоники, и выражения для огибающей уединенной двухчастотной волны, распространяющуюся в определенном направлении как одно целое, как и условия ее существования, не были получены нигде и никем прежде.
Данные по временам внутриподзонных переходов в широкой квантовой яме GaAs/AlGaAs в литературе отсутствуют и были получены впервые.
Данные по оболочечным структурам в бозе-газе представлены впервые из первопринципного расчета.
Впервые получено решение кинетического уравнения для распределения кристаллитов по размерам при сверхбыстрых скоростях рекристаллизации поверхности, зависящей от лазерного режима обработки и свойств материала.
В разработанной в коллективе ФИАН новой схеме поляроинтерферометра впервые применена возможность использования двулучепреломляющих клиньев со специально рассчитанными параметрами для создания трех диагностических каналов в одном оптическом тракте и с регистрацией на одну матрицу цифрового детектора зондирующего излучения. Впервые разработана методика синхронизации оптических путей в различных диагностических каналах.
Предложен новый механизм генерации высокоэнергетических электронов при их самоинжекции (впрыскивании) за счет ионизации многозарядных ионов кильватерным полем при прохождении ультракороткого лазерного импульса через газовую среду. Развита модель описания генерации электронных струй при острой (на дифракционном пределе) фокусировке излучения на ультратонкие фольги за пределами применимости стандартного параксиального приближения для лазерных полей.
Проведенные в НИР теоретические и экспериментальные исследования выполнены на высоком научно-техническом уровне. Экспериментальные исследования выполнялись на установках, не имеющих аналогов в мире. Ряд результатов получен впервые. Результаты актуальны и соответствуют мировому уровню, что подтверждается их публикациями в ведущих российских и зарубежных журналах и соответствуют требованиям технического задания.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Основной особенностью исследования является сочетание электрофизических и лазерно-люминесцентных методик, что позволило понять механизмы переноса носителей заряда от квантовых точек к макро молекулам органического полупроводника.
Особенностью разрабатываемого метода выращивания кристаллов соединений А2В6 с ионами переходных металлов является дозирования паров исходных компонент в процессе выращивания кристалла для достижения однородного распределения легированной примеси по объему кристалла.
Результаты, касающиеся соотношщения Мэнои-Роу для генерации третьей гармоники и формы симултона получены аналитическими методами.
Потребовалось разработать вычислительный алгоритм для вычисления аналитически не берущихся многомерных интегралов с особенностями подынтегральных функций для расчёта времен переходов между уровнями Ландау различных подзон в широкой квантовой яме. Для этого была разработана специальная численная схема расчёта интеграла на основе комбинации метода Монте-Карло и последующей аппроксимации функции суммой экспонент.
Особенностью разрабатываемой экспериментальной техники является возможность дистанционного (программного) управления положением образцов полупроводниковых структур с помощью 3-х координатного стола с линейным кодированием и пьезодвижением. Максимальная скорость сканирования: 10 mm/s; разрешение: 0.2 µm; воспроизводимость (повторяемость): < 1 µm; абсолютная точность: ± 5 µm.
Для расчета бозе-газа использовался оригинальный квантовый алгоритм Монте-Карло, позволяющий рассчитывать несколько тысяч частиц в термодинамическом равновесии.
Впервые использован кинетический поход к рекристаллизации поверхности материала, основанный на анализе кинетического уравнения для процесса роста новой фазы.
  Разработанная схема трехканального поляроинтерферометра является универсальной и с некоторыми конструктивными изменениями может использоваться как для исследования магнитных полей в высокотемпературной лазерной плазме, так и для изучения токовых характеристик по сечению Z-пинча в плазме мощных электроразрядных установок.
Применение электромагнитного затвора в схеме спектрографа с пропускающей дифракционной решеткой позволяет использовать весьма хрупкую технику на мощных электроразрядных установках с большим выбросом дебриса (макроскопических разлетающихся остатков лайнерной нагрузки).
Проведенное теоретическое исследование основано на теоретических оценках эффективности ускорения частиц и уникальном трехмерном численном моделировании методом «частица-в-ячейке».
Патентные исследования показали, что в настоящее время разработаны конструкции сорбции исследуемых молекул на наноструктуры, не требующие предварительной пробоподготоки.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Отсутствуют.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Полученные структуры могут найти применение в качестве рабочих элементов солнечных ячеек нового поколения.
Кристаллы, полученные с помощью разрабатываемой технологии, могут использоваться как активные среды лазеров среднего ИК диапазона, а также как пассивные затворы для модуляции добротности резонатора лазера. Методика измерения времени жизни возбужденного состояния кристалла необходима для прогнозирования характеристик лазера на основе этого кристалла.
Областью применения полученных результатов является нелинейная оптика сред с отрицательным преломлением, которая в настоящий момент стремительно развивается. Исследование параметрических процессов в этой области вызвано желанием найти способы компенсации потерь в таких средах, в частности за счет параметрического усиления. Полученные результаты обогатят знания об электродинамических свойствах новых искусственных материалов.
Оптические и ИК-датчики на основе полупроводниковых гетероструктур. Значения времен жизни на уровнях в квантовой яме необходимы для определения спектра поглощения, а также концентрации электронов в подзонах в случае неравновесного стационарного распределения, задаваемого протекающим через структуру туннельным током. Зависимость времени жизни от магнитного поля позволит регулировать не только положение уровней, но и их заселенность через изменяющееся время жизни всех затронутых процессом уровней. Учёт влияния ширины квантовой ямы позволит выбирать наиболее выгодную геометрию и контролировать силу электрон-фононного рассеяния через оптические фононы, либо исключить его подбором соответствующего расстояния между уровнями.
Полученные результаты будут использованы при разработке принципиально новых технологий создания устройств генерации излучения терагерцового диапазона.
Полученные данные по оболочечным структурам при сверхнизкой температуре будут способствовать пониманию специфики фазовых превращений конденсированного состояния бозе-газа и стимулировать новые эксперименты в условиях магнито-оптических ловушек.
Полученные на данном этапе результаты могут быть применены в различных областях науки и техники для регистрации цифровых голограмм и измерений параметров световых пространственных распределений.
Областью применения полученных результатов является развиваемая в настоящее время лазерная нанотехнология обработки материалов.
Результаты НИР могут использоваться в фундаментальных исследованиях в областях термоядерного синтеза, физики плазмы, спектроскопии.
Предложенная схема получения хорошо направленного пучка электронов, может быть использована для различных практических применений, например, для электронной радиографии, или для создания импульсного источника рентгеновского излучения высокой интенсивности.
Проведенные патентные исследования показали, что SALDI- источники ионов могут найти применение как в масс-спектрометрии, так и в спектрометрии ионной подвижности.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Результаты разработки и исследований многослойных структур используются в курсе нанофотоники для слушателей факультета повышения квалификации НИЯУ МИФИ.
На основе полученных результатов написана лабораторная работа «Исследование лазеров на соединениях А2В6 с ионами переходных металлов» в рамках курса Лаборатории экспериментальных методов физики МФТИ.
Разрабатываемые теории позволяют создать детальную картину физических процессов при взаимодействии мощных фемтосекундных лазерных импульсов с веществом.
Студенты обучались работе с программами автоматического проектирования и использовали их при разработке схем и проектировании диагностических приборов (поляроинтерферометра и рентгеновского спектрографа). Создан макет поляроинтерферометра на котором студенты и аспиранты в процессе учебно-исследовательской работы могут изучать основные принципы полярометрии и интерферометрии для лазерной и электроразрядной плазмы.
Найденный на основе моделирования механизм устойчивой генерации высокоэнергетических электронов при впрыскивании электронов за счет ионизации ионов кильватерным полем экспериментально подтвержден на установке «Геркулес».
Разрабатываемые подходы численного моделирования используются в курсе компьютерного практикума и «вычислительных методов квантовой физики» и будут учтены при создании учебных пособий. Также будут модернизированы курсы «Физика фазовых переходов в конденсированных средах» и «Современные проблемы физики твердого тела», читаемые на старших курсах МИФИ. Результаты войдут в материал монографии «Численные методы квантовой статистики. Результаты проведенных исследований будут отражены в лекционном курсе «Физическая оптика» и «Интегральная оптика». Полученные результаты будут использованы в курсе лекций «Экспериментальная физика конденсированного состояния вещества». На основе полученных результатов подготовлен лаборатоный практикум для студентов 5 го курса кафедры «Лазерная физика» НИЯУ «МИФИ». Полученные результаты будут использованы в курсе лекций «Оптические методы обработки информации».
Таким образом, данная научно-исследовательская работа является составной частью образовательного процесса.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов.
Полученные результаты позволят более глубоко понять процессы переноса фотовозбужденных носителей в структурах на основе полупроводниковых квантовых точек и органических полупроводников.
Предложенный физический механизм генерации высокоэнергетических электронов может быть использован в компактных лазерных ускорителях для генерации высокоэнергетических электронов.
Полученные результаты будут использованы аспирантами в своих диссертационных работах, послужат более быстрому освоению студентами, практикантами и дипломниками специальности, будут способствовать развитию научных и педагогических связей между НИЯУ МИФИ, МФТИ, ФИАН и региональными университетами, работе Высшей Школе Физиков им. Н.Г.Басова МИФИ-ФИАН, Высшего Физического Колледжа РАН. Полученные на этом этапе результаты, способствуют подготовке специалистов.
Разрабатываемая техника позволяет проводить эксперименты на мировом уровне, что привлекает молодежь, интересующуюся наукой, принимать в них активное участие. Разрабатываемые технологии позволяет получать в России ряд новых кристаллов, которые еще не использовались в качестве активной среды лазеров нигде в мире.
Заданные индикаторы достигнуты.
4. Выводы
В ходе выполнения научно-исследовательских работ отчетного этапа
разработана методика формирования и исследования многослойных структур на базе пленок и матриц полупроводниковых квантовых точек и органических полупроводников.
Выращены кристаллы ZnSe:Cr, ZnSe:Fe, CdSe:Cr и CdS:Сr для ИК лазеров. Детально исследованы зависимость концентрации легирующей примеси от ростовых условий и ее распределение по объему выращенных кристаллов. Исследована кинетика люминесценции ряда кристаллов А2В6 с ионами переходных ионов.
Получено впервые выражение для соотношения Мэнли-Роу в случае параметрических процессов между прямыми и обратными волнами в прозрачных метаматериалах. Развитее теория генерации третьей гармоники в кубично нелинейном метаматериале в поле непрерывного излучения накачки и в поле коротких импульсов волны накачки. В последнем случае найдено условие образования связанной уединенной двухчастотной волны.
Проведена первая часть исследования спектральных характеристик полупроводниковых гетероструктур, запланированная в календарном плане. Разработан численный алгоритм для расчёта времён жизни на уровнях Ландау различных подзон квантовой ямы за счёт электрон-электронного рассеяния. Проведены расчёты для различных ширин ямы и величин магнитного поля. Впервые получены данные по времени внутриподзонного рассеяния.
Разработана система прецизионного координатного позиционирования образцов полупроводниковых структур при импульсном воздействии излучения фемтосекундного лазера, что обеспечивает экспериментальную базу для создания ряда измерительных и диагностических приборов нового поколения с рекордно высокими рабочими характеристиками.
Получены данные по визуализации пространственного распределения частиц в магнито-оптической ловушке. Проведено детальное сопоставление данных с имеющимися экспериментальными результатами.
Измерены радиометрические характеристики цифровых матричных фотоприемников для применения в цифровой голографии.
В ходе выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ второго отчетного этапа с привлечением студентов МИФИ разработаны схемы трехканального поляроинтерферометра для регистрации магнитных полей в высокотемпературной плазме, а также разработана схема рентгеновского спектрографа на основе пропускающей дифракционной решетки для проведения совместно с коллективом ТРИНИТИ исследований спектральных характеристик плазмы на сильноточной электроразрядной установке «Ангара-5.1».
Показано, что генерации быстрых электронов мощными ультракороткими импульсами в виде направленного пучка возможна как из газовых так и твердотельных мишеней. При этом достижение наилучших параметров электронного пучка требует дальнейших исследований по оптимизации предложенных схем взаимодействия лазер-плазма, что будет осуществляться на следующем этапе Проекта.
  Проведены патентные исследования в направлении лазерно-индуцированной ионизации молекул, сорбированных на поверхности наноструктур. Они показали эффективность этого метода для разработки селективных источников как положительных, так и отрицательных ионов для масс-спектрометров и спектрометров ионной подвижности.
В целом все работы, предусмотренные ТЗ и КП второго этапа, выполнены в полном объеме.

Руководитель работ по проекту

руководитель ОКРФ ФИАН, академик РАН ________________ О.Н.Крохин
___ __________ 2009 г.
М.П.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
3.1. Изучение процессов возбуждения и релаксации в пленках полупроводниковых квантовых точек под действием импульсного лазерного излучения УФ и видимого диапазона.
3.2. Исследование- нелинейно-оптического отклика пленок полупроводниковых
квантовых точек при их электронном возбуждении импульсным лазерным
излучением.
3.3 Вывод и анализ аналитическими методами систем уравнений, описывающих
резонансное взаимодействие в трехуровневых системах.
3.4. Поиск аналитических решений, описывающих многоцветные солитоны в
положительно-отрицательно преломляющих средах
3.5. Продолжение исследования спектральных характеристик сверхрешёток при различных параметрах квантовых ям и внешних полей
3.6. Создание технологии для получения образцов на основе структур А3В5 для
генерации терагерцового излучения
3.7. Расчет термодинамики и линейного отклика ферми-конденсата в оптических решетках
3.8. Разработка методов и экспериментальных схем для регистрации цифровых голограмм излучением различной когерентности.
3.9. Диагностика неравновесных состояний электронной подсистемы металла по его оптическому отклику.
3.10. Исследования пространственного распределения рентгеновской эмиссии из
разрядного промежутка в целях выявления неустойчивых областей плазмы, процессов пинчевания катодной струи, плазменно-эрозионного размыкания.
3.11. Проведение времяпролетных коллекторных измерений и исследование
энергетических распределений ионных компонент плазмы разрядов.
3.12. На основе теории и численного моделирования нахождение оптимальных
условий генерации квазимоно-энергетических электронных пучков
высокого качества
3.13. Исследование фотовольтаических характеристик пленок полупроводниковых квантовых точек
3.14. Разработка источников лазерного излучения фемтосекундного диапазона с
управляемыми параметрами для возбуждения в полупроводниковых структурах генерации в терагерцовом диапазоне.
3.15. Изучение лазерного ускорения электронов из тонких фольг и кластеров
3.16. Исследование взаимодействия лазерного излучения с объемноструктурированными объектами.
3.17. Численное моделирование методом «частица в ячейке»
Развернуть
4
01.07.2010 - 12.12.2010
4.1. Исследование процессов переноса электронного возбуждения для пленочных структур квантовых точек и органических полупроводников
4.2. Экспериментальные исследования и анализ процессов переноса электронного возбуждения для полупроводниковых квантовых точек в матрицах органических полупроводников
4.3. исследование искажения спектра импульса излучения, проходящего переходной слой в линейном режиме, численное моделирование этого процесса;
4.4. Построение теории прохождения переходного слоя с учетом слабой нелинейности, нахождение приближенных аналитических результатов;
4.5.Разработка источников фемтосекундного диапазона с управляемыми параметрами
4.6. Визуализация данных по ферми-газу. Детальное сопоставление с экспериментальными данными.
4.7. Разработка методов и программного обеспечения для численной реконструкции световых полей, зарегистрированных цифровыми голограммами.
4.8.Исследование динамики формирования наноструктур на поверхности материалов при воздействии на них импульсов лазерного излучения фемтосекундной длительности.
4.9. Создание действующего образца и применение нового трехканального
поляроинтерферометра с зондирующим импульсом короткой длительности в
экспериментах на лазерных и электроразрядных установках.
4.10. Изготовление спектрографа с пропускающей дифракционной решеткой
для мягкого рентгеновского излучения с регистрацией на рентгеновскую ПЗС
матрицу.
4.1 1. Разработка физической модели генерации высокоэнергичных ионов под действием мощного ультракороткого лазерного импульса в виде направленного пучка для различных типов мишеней (твердотельные, газовые, микроструктуированные)
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.06.2011
5.1. Изучение фотовольтаических явлений в многослойных структурах на основе пленок квантовыхточек и органических полупроводников
5.2. Изучение фотовольтаических явлений в многослойных структурах на основе матриц квантовых точек в органических полупроводниках.
5.3. проведение анализа устойчивости найденного ранее щелевого солитона в
двухканальном волноводе;
5.4. анализ модуляционной неустойчивости волн в линейке нелинейных туннельно-связанных волноводов с чередующимися показателями преломления;
5.5. Оптимизация параметров квантовых ям в сверхрешётках для улучшения спектральных характеристик и применения в оптических датчиках ИК-диапазона
5.6.Проведение экспериментальных и теоретических исследований по определению оптимального набора параметров лазерного излучения, при которых достигается максимальная интенсивность генерации терагерцового излучения;
5.7.Разработка методов диагностики режимов импульсного воздействия на
полупроводниковые структуры и измерения энергетических и спектральных параметров терагерцового излучения;
5.8. Анализ физических данных по многокомпонентным бозе- и ферми-системам в оптических решетках.
5.9. Создание и отладка экспериментальных установок для регистрации цифровых голограмм.
5.10. Анализ оптимальных схем технологии лазерной поверхностной обработки материалов с целью получения нано- и микроструктур заданного размера и формы
5.11. Проведение идентификации ускорительных механизмов и механизмов генерации многозарядных ионов и рентгеновского излучения в плазме разрядов; развитие магнитогидродинамической модели плазмы вышеозначенных разрядов.
5.12. Оптимизация характеристик разряда и инициирующего его лазерного излучения в целях увеличения выхода рентгеновского излучения и корпускулярных потоков. Построение лабораторного макета малогабаритного источника многозарядных ионов металлов высоких энергий.
5.13. На основе теории и численного моделирования нахождение оптимальных
условий генерации ввазимоноэнергетических пучков легких ионов высокого качества
5.14. Исследования фотоэффектов в многослойных структурах на основе
органических полупроводников
5.15. Анализ возможностей создания солнечных ячеек нового поколения на базе конденсатов квантовых точек и органических полупроводников.
5.16. Создание источников лазерного излучения фемтосекундного диапазона с управляемыми параметрами.
5.17. Развитие теории неравновесной плазмы, образованной ионизацией вещества оптическими и рентгеновскими лазерами
Развернуть
6
01.07.2011 - 03.09.2011
6.1. Отработка методики изготовления опытных образцов высокоэффективных солнечных ячеек
6.2. Тестирование и проверка источников лазерного излучения фемтосекундного
диапазона с управляемыми параметрами.
6.3. Отладка базовой технологии, позволяющей обеспечить получение опытных образцов на основе структур А3В5 и широкозонных материалов для генерации терагецового излучения.
6.4. Экспериментальная регистрация цифровых голограмм излучением различной когерентности.
6.5. Исследование магнитных полей в высокотемпературной плазме с помощью
трехканального поляроинтерферометра.
6.6. Проведение рентгеноспектральных исследований плазмы с использованием
спектрографа с пропускающей дифракционной решеткой.
6.7. Разработка методик для обучения молодых специалистов различным подходам в исследовании лазерной и электроразрядной плазмы.
6.8. Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный
процесс.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2011 - 2013, 30 мес.
Бюджетные средства
2,91 млн
профинансировано
Продолжительность работ
2009 - 2010, 11 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Организация
ОИВТ РАН
профинансировано
Тема
Получение наноструктурированных поверхностей металлов под воздействием импульса лазерного излучения путем контролируемого создания околокритического состояния металла в квазиизохорном процессе.
Продолжительность работ
2008, 2 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
2
Тема
Создание микроструктурированных оптических волокон для нового поколения преобразователей и передатчиков лазерного излучения и информации.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
5 млн
Количество заявок
6
Тема
Экспериментальные и теоретические исследования с целью создания оптического квантового усилителя с ядерной накачкой с энергией в импульсе лазерного излучения до 100 кДж на установке: "Энергетический макет лазерной системы с накачкой от импульсного реактора "Барс-6" (СТЕНД "Б") (рег. № 01-59)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Количество заявок
1
Тема
Проведение фундаментальных физических исследований экстремальных состояний, возникающих при взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного излучения с веществом, и разработка новейших фемтосекундных технологий на установке: "Лазерный тераваттный фемтосекундный комплекс (ЛТФК) (рег. № 01-88)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Создание наносенсора, работающего на одновременной регистрации четырех электрофизических параметров, и исследование его свойств.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
5 млн
Количество заявок
1