Ученые нашли способ экспериментально исследовать свойства фотонного кристалла с помощью люминесцентных измерений с угловым разрешением. Такой метод проще и дешевле, чем используемые сейчас, поскольку он не требует сложного оборудования. Кроме того, разработанный подход позволяет измерять слабые световые сигналы, которые недоступны другим методам. Поэтому разработка будет полезна при создании фотонных вычислительных схем и фотонных компьютеров, которые по скорости работы превзойдут традиционные устройства.
Фотонных компьютеров еще не существует, однако идея использовать кванты света — фотоны — для передачи информации в вычислительных машинах перспективна, поскольку это значительно ускорит обработку информации. Для работы таких компьютеров нужен эффективный источник излучения. Кремний — основной элемент современных микросхем и транзисторов — сам по себе почти не излучает свет, и, чтобы придать ему это свойство, нужно вырастить на нем наноостровки германия и сформировать в полученной структуре фотонный кристалл. В такой структуре наноостровки излучают свет, который, взаимодействуя с фотонным кристаллом, усиливается.
Ученые исследуют особенности излучения фотонных кристаллов с помощью дорогостоящих камер сложной конструкции, что затрудняет работу. Фотонный кристалл светит во все стороны, но обычно измеряется сигнал, ограниченный углами, которые определяются используемым объективом. Раньше без специальных камер невозможно было проанализировать угловое распределение излучения — то есть диаграмму направленности всех лучей от кристалла — и выявить в ней фундаментальные явления, позволяющие эффективно управлять излучающими свойствами наноостровков германия.
Ученые из Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) разработали новый метод изучения сигналов фотонных кристаллов с помощью спектрометра — прибора, который есть в любой физической лаборатории. Для этого авторы решили улучшить обычную схему измерений без углового разрешения. Исследователи поместили диафрагму (пластину с отверстием, сквозь которую проходит свет, генерируемый фотонным кристаллом) в центр параллельного пучка света, формируемого объективом, а затем смещали ее в разные стороны. Это позволило авторам исследовать, как излучение выходит из фотонного кристалла под разными углами, а не только вертикально вверх. Как выяснили ученые, в направлениях, отличных от вертикального, также наблюдается ряд интересных эффектов и уникальных состояний, открывающих возможности управления излучением. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Applied Physics.
Оказалось, что с помощью предложенного подхода можно проанализировать, как фотонный кристалл светит в разные углы относительно нормали (направления, перпендикулярного фотонному кристаллу). В перспективе это может позволить передавать информацию с помощью фотонных кристаллов и использовать их для сенсорики (в высокочувствительных датчиках).
Сейчас при создании фотонных схем 35 процентов их цены составляют затраты на тестирование и отладку. Последняя нужна для того, чтобы понять, хороша ли схема, которую изготовили на производстве. Далее схему необходимо протестировать — для этого в качестве тестовых источников излучения можно использовать фотонные кристаллы. Такой подход удобен, так как фотонные кристаллы возможно вырастить вместе со схемой, а не прикреплять к ней. Если схема хорошая, то к ней можно пристыковывать рабочий лазер (другой, не на фотонных кристаллах с наноостровками). Если же сделать это, не протестировав схему на фотонных кристаллах, вся конструкция может оказаться некачественной и непригодной для использования.
«В дальнейшем мы планируем исследовать поляризацию света, излучаемого фотонными кристаллами. Мы хотим узнать, как именно в фотонных кристаллах формируется поляризованное излучение и как можно это свойство использовать на практике. В перспективе это может быть полезно для дополнительного кодирования информации поляризацией. В целом наша дальнейшая работа будет направлена на изучение того, как еще можно управлять излучением фотонных кристаллов. Мы будем использовать накопленный опыт и поймем, как подобрать параметры фотонного кристалла так, чтобы создать ровно тот источник излучения, который нужен для прикладных задач, например, для сенсорики или для передачи информации», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Артем Перетокин, аспирант Института физики микроструктур РАН.
Источник: https://naked-science.ru/

Волоконные лазеры — это резка и сварка металла, бескровные хирургические операции, а также быстрая передача больших объемов информации. Российские ученые рассчитали самую короткую возможную продолжительность импульса для такого лазера. Передаче слишком коротких импульсов мешают повышенные дисперсия и нелинейность, поэтому вопрос о минимально возможной длительности имеет по-настоящему практическое значение.
Практический способ получения наименьшей длительности импульсов в цельноволоконных лазерах выявил заведующий Отделом лазерной физики инновационных технологий Новосибирского государственного университета доктор физико-математических наук Сергей Кобцев, сообщили в пресс-службе вуза. Исследование получило поддержку Министерства науки и высшего образования РФ.
Результаты работы ученого в этом направлении опубликованы в статье «Production of ultrashort pulses in fiber lasers» («Получение ультракоротких импульсов в волоконных лазерах»). Статья стала одной их наиболее скачиваемых публикаций журнала «Journal of the Optical Society of America B» в июле–сентябре 2025 года. Исследование проводилось по проекту «Новые волоконные короткоимпульсные лазерные системы, включающие передовые композиционные материалы, интеллектуальные технологии и метрологические расширения», поддержанному Министерством науки и высшего образования РФ.
Волоконные лазеры — перспективный вид лазеров, отличающихся улучшенными ключевыми пользовательскими параметрами — отсутствием необходимости производить точную настройку резонатора лазера, успешным естественным теплоотводом, эффективной генерацией и компактностью. Однако получение ультракоротких импульсов в данных лазерах из-за повышенных дисперсии и нелинейности является нетривиальной задачей, решение которой часто связано с использованием объемных оптических элементов. Такие элементы существенно уменьшают преимущества волоконных (или цельноволоконных) лазеров.
«Иногда волоконными лазерами называют комбинированные конфигурации, содержащие лишь меньшую часть волоконных компонентов, а большая часть оптических элементов имеет объемное исполнение. Такие комбинированные волоконно-объемные лазеры теряют важные преимущества, которые ассоциируются с цельноволоконными лазерами. И хотя в таких комбинированных волоконно-объемных лазерах уже получают импульсы длительностью единицы фемтосекунд. Эти конфигурации мало отличаются от традиционных объемных твердотельных схем с присущими им недостатками. Нас же интересовал вопрос о том, какая минимальная длительность импульсов возможна в цельноволоконных лазерах, причем с фиксированной поляризацией излучения. Выяснилось, что в таких лазерах возможна генерация импульсов пикосекундной длительности и более», — объяснил Сергей Кобцев.
Результаты работы интересны широкому кругу специалистов, использующих волоконные компоненты в исследованиях и разработках. Возможность генерации пикосекундных световых импульсов в цельноволоконных лазерах расширяет области их применений при сохранении преимуществ лазеров этого типа. С учетом все большего распространения цельноволоконных лазеров их генерационные особенности вызывают большой интерес.
«Волоконные лазеры находятся на этапе бурного развития. Несколько лет назад казалось, что волоконные лазеры могут заменить все другие виды лазеров благодаря значительным преимуществам. Но результаты многих работ показали, что эти преимущества характерны не для любых волоконных лазеров (комбинированных и т. д.), а именно для цельноволоконных. Стало интересным выяснить на каком уровне длительностей импульсов можно совместить „цельноволоконность“ конфигурации с короткими импульсами генерации. Детальное изучение проблемы позволило выявить ее решение: начиная с пикосекундного диапазона длительностей импульсов их получение возможно в цельноволоконных лазерах с фиксированной поляризацией излучения. Важен также механизм генерации ультракоротких импульсов, но принципиальное решение уже продемонстрировано», — отметил Сергей Кобцев.
Источник: https://www.nsu.ru/

Лазерные технологии играют жизненно важную роль в современной жизни, поддерживая всё — от точных научных измерений до передовых систем связи. Они лежат в основе таких технологий, как беспилотные автомобили, высокоскоростные волоконно-оптические сети и даже инструменты, обнаруживающие газы в атмосфере. Исследовательская группа под руководством доцента Йохана Рименсбергера из Департамента электронных систем Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) разработала новый вид лазера, предназначенный для преодоления нескольких проблем, присущих существующим моделям. «Наши результаты могут дать нам новый тип лазера, который одновременно быстрый, относительно дешёвый, мощный и простой в использовании», — говорит Рименсбергер. Результаты работы команды были опубликованы в журнале Nature Photonics. Проект является совместной работой NTNU, швейцарской Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и компании Luxtelligence SA. Беспилотные автомобили и детекторы качества воздуха Традиционные прецизионные лазеры часто громоздки, дороги и сложны в точной настройке. «Наш новый лазер решает несколько из этих проблем», — говорит Рименсбергер.
Это улучшение может сделать технологию особенно полезной в беспилотных автомобилях, которые полагаются на технику под названием Lidar для картирования окружающей обстановки. Lidar работает, измеряя время, за которое свет от лазера возвращается обратно, или обнаруживая крошечные изменения в фазе световой волны. Новый лазер может выполнять такие измерения с замечательной точностью — в пределах примерно четырёх сантиметров. Исследователи также продемонстрировали, что их лазер может эффективно обнаруживать в воздухе цианистый водород, вещество, обычно называемое «синильной кислотой». Поскольку это соединение чрезвычайно токсично даже в малых количествах, возможность быстро его идентифицировать крайне важна для безопасности и мониторинга окружающей среды. Передовые материалы и микроскопические световые схемы Исследователи создали новый лазер с использованием передовых материалов и микроскопических световых схем. Лазер излучает мощный и стабильный пучок света. Кроме того, среди преимуществ — возможность для пользователей легко и быстро регулировать частоту плавно, без резких скачков. «Вы также можете легко управлять им с помощью всего одного регулятора вместо многих», — отмечает Рименсбергер. Лазер создан с использованием уже доступной чиповой технологии. Это делает возможным его дешёвое массовое производство. «Наши результаты позволяют создавать небольшие, недорогие и удобные измерительные приборы и средства связи с высокой производительностью», — заявил Рименсбергер. Работа велась в сотрудничестве между EPFL (эксперименты), Luxtelligence SA (производство чипов) и NTNU (проектирование и симуляции). Она началась, когда Рименсбергер ещё был постдокторантом в EPFL. Сотрудничество продолжается в рамках стипендии EIC Pathfinder OPEN под названием ELLIPTIC.
Источник: https://rutab.net

Одна из перспективных областей применения пластичных полупроводниковых стекол — производство лазерных дисков.
Пластичные полупроводниковые стекла разработали ученые Санкт-Петербургского государственного университета. Один из созданных образцов близок по гибкости к алюминию и способен буквально «сминаться» под давлением. Такие материалы можно использовать для изготовления разных изделий, способных к релаксации механических напряжений — от устройств ночного видения до накопителей информации. Об изобретении корреспонденту «Научной России» рассказал почетный профессор СПбГУ, заведующий университетской кафедрой лазерной химии и лазерного материаловедения, доктор химических наук Юрий Станиславович Тверьянович.
Полупроводниковые стекла отличаются от обычных тем, что в их составе кислород заменен на серу, селен или теллур. Они используются в инфракрасной оптике (например, тепловизорах), оптоэлектронике и накопителях информации. Но полупроводниковые стекла весьма хрупкие, поэтому изделия из них легко повреждаются. В частности, они могут «ломаться» из-за внутренних напряжений — например, такое случается при горячем прессовании во время производства ИК-оптики или перезаписи информации.
Химики СПбГУП предложили решение, повышающее устойчивость полупроводниковых стекол к механическим напряжениям: ученые сделали материалы пластичными, добавив в них серебро. Полученные структуры успешно переносят как термические, так и механические напряжения в первые минуты воздействия, а затем постепенно ослабляют их.
«Для добавления серебра в состав полупроводниковых стекол используется традиционная технология высокотемпературного синтеза в кварцевых ампулах. Этот метод применяется как в лабораторных условиях, так и в промышленном производстве. Принципиальных различий нет, поэтому я думаю, что масштабирование подхода не составит больших проблем», — сказал Ю.С. Тверьянович.
Почетный профессор СПбГУ, заведующий университетской кафедрой лазерной химии и лазерного материаловедения, доктор химических наук Юрий Станиславович Тверьянович.Фото: СПбГУ
Почетный профессор СПбГУ, заведующий университетской кафедрой лазерной химии и лазерного материаловедения, доктор химических наук Юрий Станиславович Тверьянович.
Как родилась идея разработки и почему полупроводниковые стекла становятся пластичнее при добавлении серебра?
«На мой взгляд, история науки складывается не столько из найденных решений, сколько из поставленных вопросов, особенно в тех случаях, когда они входят в противоречие со сложившимися представлениями. Один из примеров — представление о хрупкости стекол. Эта мысль настолько плотно вошла в наше сознание, что на упаковки с хрупкими изделиями наклеивается символическая этикетка с изображением стеклянного фужера, — подчеркнул Ю.С. Тверьянович. — Если задать вопрос, идущий вразрез с этими представлениями, — можно ли повысить пластичность неорганических стекол — то прежде всего, нужно понять, почему они хрупкие. Причина заключается в том, что структура стекол сформирована ковалентными связями. Их особенности — направленность и предельно жесткий потенциал межатомного взаимодействия. С одной стороны, это хорошо, потому что именно благодаря этому расплав материала при охлаждении быстро увеличивает свою вязкость и стеклуется.
Таким образом, при получении стекол не обойтись без ковалентных связей. Но, с другой стороны, они же определяют и хрупкость материалов. Так как отказаться от ковалентных связей невозможно, можно сделать только одно — ввести дополнительные химические связи, способные решить нашу проблему. Какими свойствами они должны обладать? В отличие от ковалентных связей, они должны быть ненаправленными (то есть обеспечивать сферически симметричное взаимодействие между атомами) и обладать более мягким потенциалом межатомного взаимодействия. Подходящий вариант — взаимодействие Ван-дер-Ваальса. Одна из его разновидностей — металлофильные связи. Знание о них широко применяется в супрамолекулярной химии, химии металлоорганических комплексов. Но в области неорганических соединений вопрос металлофильных связей ранее не рассматривался.
Один из металлов, способных к организации металлофильных взаимодействий, — серебро. Поэтому введение соединений этого металла в стекла, по нашим представлениям, должно было увеличить пластичность материалов».
Гипотеза подтвердилась на практике. К настоящему времени ученые получили несколько разновидностей стеклообразующих составов. Разработанные материалы можно условно разделить на две группы: с малым и большим содержанием соединений серебра.
«Стекла с относительно малым содержанием халькогенидов1 серебра обладают хорошей кристаллизационной устойчивостью, но их пластичность увеличивается не столь существенно. Из них можно изготавливать оптические детали приборов, работающих в инфракрасном диапазоне, например, для устройств ночного видения, — объяснил Ю.С. Тверьянович. — В то же время стекла с высоким содержанием халькогенидов серебра отличает низкая стеклообразующая способность. Их можно получить в стеклообразном состоянии только при быстром охлаждении — в частности, при напылении пленок. Халькогенидные пленки широко используются в нашей жизни — они встречаются всем нам в составе устройств энергонезависимой памяти, таких как диски для лазерной записи информации. При работе с этими накопителями данных возникает сложность: под действием лазера одни микрообласти пленки закристаллизовываются, другие — переводятся в стеклообразное состояние, и из-за различий в их плотности возникают механические напряжения. Для борьбы с этой проблемой предлагаются разные методы. Но окончательно снять этот вопрос позволит появление материала, способного к релаксации механических напряжений».
1Халькогениды — бинарные соединения с элементами 16-й группы Периодической системы (серой, селеном, теллуром, кислородом и т.д.).
Образцы уже прошли первые испытания в Центре исследования экстремальных состояний материалов и конструкций Научного парка СПбГУ и успешно перенесли воздействия, разрушительные для обычных стекол.
Фрагмент стекла из первой группы (с малым содержанием халькогенидов серебра) протестировали с помощью сжатия между двумя твердыми пластинами на специальной установке. Материал уменьшил приложенное к нему напряжение на 75% (на 50% — за первые 20 минут).
Материал из второй группы (с большим содержанием соединений серебра), представляющий собой тончайшую пленку толщиной около 1–2 микрон, испытали с помощью нанотвердомера — прибора для работы с микроскопическими материалами. Оказалось, что этот образец обладает пластичностью, соизмеримой с пластичностью алюминия.
Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда (грант № 24−23−140 «Пластичные неорганические стекла»). Работа химиков СПбГУП вносит важный вклад в решение задач национального проекта «Новые материалы и химия».
«Наши планы по развитию исследований можно разделить на две группы. Первая — интенсивные изыскания, исследования “вглубь”. Дело в том, что металлофильные взаимодействия в уже синтезированных нами материалах влияют не только на механические свойства стекол, но и на целый ряд других характеристик, в частности, на тепловые свойства, фононный спектр (энергию колебательных состояний атомов кристалла — Примеч. корр.). Поэтому в качестве одного из планируемых направлений работы мы наметили изучение подобных новых аспектов влияния металлофильных взаимодействий на свойства полученных материалов, — отметил Ю.С. Тверьянович. — Второе направление — экстенсивное, развитие исследований “вширь”. По нашим предварительным данным, аналогичный эффект увеличения пластичности может обнаружиться и у хорошо известных каждому, “традиционных” оксидных стекол, прозрачных в видимом диапазоне. Мы уже отобрали целый ряд систем, на примере которых будем проверять это предположение».
Источник: https://scientificrussia.ru/

Ученые ОСВЧПЭ им. В.Г. Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт" совместно с коллегами из ИОФ РАН предложили новое решение для генерации эффективного терагерцового излучения.
Терагерцовые технологии сегодня активно развиваются и сфера их применения весьма широка: от медицины (ТГц-излучения используют в медицинских томографах) до безопасности. В частности, с помощью терагерцовой спектроскопии можно анализировать химический состав и структуру материалов без их повреждения.
В настоящее время для разных задач созданы различные ТГц-излучатели. Среди них фотопроводящие антенны (ФПА) – экономичные и простые в изготовлении устройства, генерирующие терагерцовое излучение. Однако у ФПА есть недостаток – низкая эффективность преобразования энергии. Для генерации волн в ТГц-диапазоне с помощью ФПА используют преобразование лазерных лучей, однако лишь небольшая доля исходных импульсов "превращается" в ТГц-излучение, а большая часть энергии теряется в процессе.
Ученые ОСВЧПЭ им. В.Г. Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт" совместно с коллегами из ИОФ РАН предложили оригинальное и эффективное решение для генерации терагерцового излучения – одномерный массив, состоящий всего из семи единичных ФПА с топологией типа "диполь". Перед изготовлением устройства исследователи на основе компьютерного моделирования выявили принципиальное влияние поглощенной мощности лазерного возбуждения и периода массива на процесс формирования диаграммы направленности ТГц-излучения. Несмотря на относительную простоту конструкции массива, он оказался в 11 раз эффективнее единичной ФПА.
– Конструкция массива подобрана с учетом корректного выбора периода по отношению к поглощенной мощности лазерного возбуждения, поэтому она обеспечивает максимально эффективную перекачку энергии в основной лепесток диаграммы направленности антенны. Если в массиве больше двух элементов, то в диаграмме направленности всегда появляются боковые лепестки. Это похоже на то, как формируется дифракционная картина при прохождении света через узкую щель. В нашем случае мы подобрали параметры массива таким образом, что влияние боковых лепестков не значительно, – говорит Дмитрий Пономарев, заместитель руководителя ОСВЧПЭ им. В.Г. Мокерова.
Одномерный массив – промежуточный вариант между единичной ФПА и широкоапертурным ФПА-излучателем – то есть источником большой площади. Последние, хотя и обеспечивают генерацию более мощных ТГц импульсов, значительно сложнее в топологии и требуют больше ресурсов на изготовление. А конструкция, предложенная учеными Курчатовского института, гораздо проще и при этом незначительно уступает источникам большой площади по эффективности преобразования энергии.
Источник: https://nrcki.ru/

Ученые из Массачусетского технологического института совершили прорыв в области квантовых технологий, разработав метод, который вдвое повышает точность оптических часов. Это достижение не только открывает путь к созданию более совершенных систем для будущей цифровой инфраструктуры, но и может помочь в поиске таких загадочных явлений, как темная материя. Современные технологии, включая спутники GPS и взаимодействие компьютеров, полагаются на точный отсчет времени, обеспечиваемый атомными часами на цезии. Однако растущие потребности общества в вычислительных мощностях требуют перехода к более быстрым и стабильным оптическим часам, использующим атомы иттербия, которые «тикают» с невероятной частотой до 100 триллионов раз в секунду.
Главным препятствием на этом пути является квантовый шум, который искажает точные измерения колебаний атомов. В поисках решения этой проблемы физики из MIT обнаружили ранее недооцененный эффект воздействия лазера часов на атомы. Они разработали метод, использующий лазер для управления квантовой запутанностью атомов иттербия, что и позволило вдвое повысить точность часов. Исследователи уверены, что добавление большего количества атомов позволит добиться еще большего прогресса.
Одной из долгосрочных целей работы является создание портативных атомных часов, которые можно будет доставлять непосредственно к месту проведения измерений для изучения различных явлений. Как отметил соавтор исследования Владимир Вулетич, с помощью таких часов ученые пытаются обнаружить темную материю и темную энергию, проверить фундаментальные силы природы и даже прогнозировать землетрясения. Новый метод может помочь сделать эти часы транспортабельными и развертываемыми там, где это необходимо.
В основе нового подхода лежит техника «квантового обращения времени». Идея заключается в том, чтобы сначала запутать атомы, а затем разупорядочить их, что позволяет усилить полезный сигнал на фоне шума. Ключевым открытием стало понимание того, что лазер, настроенный на частоту, близкую к оптической частоте атомов, оставляет в них измеримый след — «память» о своем воздействии, даже после того как атомы возвращаются в исходное энергетическое состояние. Этот сохраняющийся фазовый сдвиг содержит ключевую информацию о стабильности лазера, что и позволяет значительно повысить точность измерений. Проведенные лабораторные испытания подтвердили эффективность метода, вдвое увеличив точность оптических атомных часов, и открыли новые возможности для создания стабильных и портативных устройств следующего поколения.

Источник: New-Science.ru https://new-science.ru/

Технология открывает путь к новому классу сенсоров — они смогут «слышать» сигналы там, где обычные устройства бессильны.
Физики Варшавского университета создали первый в мире полностью оптический радиоприёмник, работающий исключительно на лазерном излучении — без антенн, электрических цепей и источников питания. Разработка, выполненная на факультете физики и в Центре квантовых оптических технологий под руководством доктора Михала Парняка, открывает новое направление в квантовой сенсориκе и уже готовится к коммерческому применению при поддержке Европейского космического агентства.
Главное отличие устройства в том, что оно улавливает радиосигналы не с помощью металлических элементов, а посредством атомов рубидия, удерживаемых в стеклянной ячейке и облучаемых тремя сверхстабильными лазерами. Каждый из лучей возбуждает электроны до так называемых состояний Ридберга — высокоэнергетических орбит, на которых частицы находятся значительно дальше от ядра. Когда через ячейку проходит радиоволна, она слегка изменяет эти орбиты. Возвращаясь на более низкие уровни, электроны испускают слабое инфракрасное свечение, которое несёт ту же информацию, что и исходный радиосигнал.
Парняк сравнивает этот процесс с «искусственным северным сиянием» — областью, где свет взаимодействует с радиоволнами напрямую, без участия металла и электрических компонентов. Одной из самых сложных задач стала точная синхронизация лазеров и атомов для устранения шумов и дрейфа частоты. Исследователи использовали оптические резонаторы — вакуумные трубки с зеркальными стенками, стабилизирующие частоту света по принципу, схожему с тем, как органная труба удерживает чистый музыкальный тон. Такая стабилизация позволяет электронам колебаться с постоянной частотой и обеспечивает высокую точность при измерении амплитуды и фазы принимаемого сигнала.
В отличие от обычных антенн, новый приёмник не вносит помех в измеряемое поле. Он не содержит металлических деталей и работает исключительно на взаимодействии света и паров рубидия внутри герметичной камеры. В перспективе вся система может быть уменьшена до крошечного узла, интегрированного в оптоволоконную линию: лазерное излучение будет направляться по волокну в одном направлении, а инфракрасный отклик возвращаться обратно. Это позволит проводить измерения на расстоянии от источника радиоволн — скрытно и без физического вмешательства в среду.
Такая технология способна радикально изменить методы калибровки микроволновых полей и заложить основу для новых применений — от «невидимых» сенсоров до спутниковых квантовых приёмников. Варшавская группа уже несколько лет совершенствует методы регистрации микроволн на основе ридберговских состояний. Их система выделяется самокалибровкой, исключительной чувствительностью и возможностью миниатюризации, что привлекло внимание международных метрологических институтов, оборонных ведомств и космических организаций.
С начала 2025 года команда Парняка сотрудничает с Европейским космическим агентством, работая над внедрением технологии в спутниковые платформы для точных измерений электромагнитных полей. Проект реализуется в рамках польской программы SONATA17 и инициативы Quantum Optical Technologies при поддержке Европейского союза. Учёные отмечают, что с появлением таких систем радиосвязь, долгие десятилетия основанная на металле и электричестве, действительно вступает в новую эпоху — эпоху света.
Источник: https://www.securitylab.ru/

Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли представили компактный лазерно-плазменный ускоритель длиной всего 30 сантиметров, который может генерировать и обнаруживать направленные пучки мюонов. Устройство использует интенсивные лазерные импульсы для ускорения электронных пучков, которые затем создают мюоны в значительно больших количествах и с лучшей направленностью. Это обеспечивает мощную альтернативу для неразрушающего контроля крупных или скрытых объектов. Традиционные искусственные источники мюонов громоздки и дороги, что вынуждало многие системы визуализации полагаться на естественные космические лучи. Новый ускоритель преодолевает эти ограничения, значительно увеличивая выход мюонов и сокращая время экспозиции с месяцев до минут.
В отличие от рентгеновских лучей, которые легко поглощаются, мюоны постепенно теряют энергию, что позволяет им проникать через крупные структуры из сотен метров горной породы или плотных материалов, таких как свинец и сталь. Благодаря этой исключительной проникающей способности мюонная томография уже использовалась для обнаружения скрытых камер в Великой пирамиде Гизы, исследования внутренностей вулканов и контроля ядерных отходов. В эксперименте исследователи использовали лазер для ускорения электронов до чрезвычайно высоких энергий в 30-сантиметровом плазменном канале. Эти высокоэнергетические электроны затем сталкивались с мишенью из свинца, где они испускали фотоны, которые при взаимодействии с ядрами мишени производили пары мюон-антимюон.
Полученные мюоны формировали высоконаправленный коллимированный пучок вдоль исходного пути электронов. Система обеспечивала более 20 мюонов за выстрел в пределах апертуры визуализации, что более чем в 40 раз превышает поток мюонов от космических лучей для горизонтальной визуализации. Этот эксперимент устанавливает лазерно-плазменные ускорители как практические источники мюонов, открывая путь для будущих приложений, построенных вокруг высокоэнергетических пучков и детекторов, оптимизированных для реконструкции мюонных изображений.
Источник: https://rutab.net/

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения. Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30086).
Плазма, созданная в виде ионизированного газа, обладает уникальными оптическими свойствами, которые делают её интересным объектом для исследования. Плазма активно используется в различных областях науки, техники и промышленности. Знания о её свойствах нужны для контроля процесса плазменного катализа, плазменной резки, сварки и напыления, синтеза наночастиц, при стерилизации имплантатов и хирургических инструментов, в системах поджига топливных смесей, а также в различных импульсных электроразрядных устройствах, используемых в современной энергетике.
Плазму с высокой концентрацией электронов можно изучать с помощью методов лазерного зондирования — интерферометрии, теневой и шлирен-фотосъёмки, когда вследствие взаимодействия лазерного пучка с плазменной структурой изменяются его интенсивность, фаза и поляризация. Анализируя изменения в характеристиках лазерного излучения, можно восстановить пространственное распределение диэлектрической проницаемости плазмы в рамках решения прямых и обратных дифракционных задач, а также оценить и другие её важные параметры. Однако реализация даже таких традиционных методов диагностики плазмы сталкивается с рядом сложностей.
Ключевая проблема — это дифракция лазерного излучения, которая усложняет интерпретацию результатов оптических измерений и играет важную роль в самом процессе визуализации неоднородной плазменной структуры. Обычно дифракционным эффектам при обработке результатов лазерного зондирования не придается большого значения, в частности, ввиду сложности их анализа в эксперименте. При этом в области непосредственно за плазменным объектом (ближней волновой зоне) закономерности проявления дифракционных эффектов до недавнего времени оставались недостаточно изученными. В то же время именно в ближней волновой зоне формируются ключевые особенности изображений плазменных микроструктур, и их детальное понимание необходимо для последующего точного восстановления параметров плазмы.
Чтобы изучить дифракционные эффекты, ученые провели всестороннее численное моделирование прямой задачи дифракции на основе решения скалярного волнового уравнения Гельмгольца, описывающего распространение лазерного излучения сквозь неоднородную плазменную среду.
Для решения данного уравнения использовалось первое Рытовское приближение — метод асимптотического решения уравнения в парадигме функции комплексной фазы при доминирующем рассеянии волны вперед. В качестве плазменной среды были рассмотрены тонкие нити сильно ионизованной плазмы (диаметром порядка 20 мкм), выступающие в качестве модели одиночных микроканалов, из которых состоит электрическая искра в газе (примеры приведены в конце работы, опубликованной в Physical Review E). Помимо этого, ученые дополнили результаты моделирования дифракции лазерного излучения на неоднородных плазменных микроструктурах численным расчетом прохождения дифрагированного излучения сквозь оптическую линзовую систему, в оптических каналах которой реализованы методы визуализации на основе интерферометрии и теневой фотосъёмки.
В условиях реального эксперимента возникновение и эволюция плазмы в пространстве, как правило, имеет спорадичный характер. Из-за этого оптическая линзовая система вносит определенные искажения в характеристики поля регистрируемого лазерного излучения, поскольку возрастает влияние эффекта дефокусировки — несовпадение объектной плоскости регистрации оптической системы с выходной плоскостью объекта, в которой он вносит окончательные изменения в поле проходящего излучения.
С использованием разработанного математического аппарата, алгоритмов численного расчета и программного кода ученые детально описали ключевые закономерности визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения. Исследователям также удалось определить роль дифракционных эффектов в процессе формирования изображений плазмы и установить множество ранее неизвестных оптических артефактов, возникающих в процессе визуализации плазмы.
Исследователи обнаружили, что даже в наиболее простых случаях взаимодействия лазерного излучения с неоднородной плазмой дифракционные эффекты оказывают существенное влияние на визуализацию плазменных микроструктур. В ближней волновой зоне данные эффекты особенно выражены и приводят к заметным искажениям в регистрируемых яркостных и фазовых картинах плазменного объекта. В частности, проявляются многочисленные флуктуации интенсивности волны и её фазового сдвига.
Исследователями было также показано, что с уменьшением электронной плотности плазмы дифракционные эффекты, наблюдаемые в выходной плоскости объекта, становятся слабыми, тогда как масштабирование плазменных объектов не сопровождается изменением их дифракционных картин в выходной плоскости, но приводит к существенным изменениям в проявлении дифракционных эффектов вдали от объектов. В то же время было обнаружено, что по сравнению с фазовыми дифракционными картинами плазменных объектов, их яркостные картины (получаемые в терминах изменений интенсивности) оказываются наиболее чувствительными к малым вариациям в распределении электронной плотности плазмы.
Со слов исследователей, установленные факты оказались крайне полезными при обработке реальных изображений плазменных структур, получаемых в эксперименте.
Полученные результаты численного моделирования позволили количественно предсказать основные закономерности в визуализации плазменных микроструктур, просвечиваемых когерентным лазерным излучением, а также объяснить, почему при обработке экспериментальных данных нередко наблюдаются трудно интерпретируемые оптические артефакты. Результаты численного моделирования дали хорошее согласие с экспериментальными наблюдениями, что подтверждает достоверность предложенного подхода.
Для проверки численных результатов исследователями была разработана специальная оптическая установка, включающая пикосекундный лазер Nd:YAG с излучением на длинах волн 1064 и 532 нм при длительности лазерного импульса 70 пс на длине волны 532 нм и 100 пс на длине волны 1064 нм.
Лазер был синхронизован с высоковольтным генератором, который использовался для инициирования искровых разрядов в атмосферном воздухе в коротких разрядных промежутках. При подаче наносекундного высоковольтного импульса на разрядный промежуток и после наступления его электрического пробоя в объеме газоразрядной среды начиналось формирование высокоионизованной плазмы в виде микронных токовых каналов. Данные структуры использовались, с одной стороны, в качестве объектов для исследования, а с другой — для верификации разработанных подходов к описанию их визуализации в поле лазерного излучения.
Для этого ученые в разработанной оптической системе реализовали синхронную регистрацию лазерных тенеграмм и интерферограмм плазменных формирований с возможностью их одновременной диагностики на двух длинах волн с высоким временным и пространственным разрешением.
Результаты экспериментальных исследований показали, что плазменные структуры микронного диаметра демонстрируют ярко выраженные дифракционные эффекты, зависящие от длины волны лазерного излучения, степени ионизации плазмы, размера объекта. При этом удалось подтвердить ряд необычных эффектов в визуализации плазменных структур. А именно, исследователи установили, что когда объектная плоскость оптической линзовой системы сфокусирована на характерный центр симметрии плазменного образования, какие-либо заметные колебания интенсивности излучения в плоскости изображения оптической системы исчезают — объект становится невидим на тенеграммах, а фазовая картина объекта регистрируется максимально корректно. При отрицательной дефокусировке яркостная картина объекта в плоскости изображения ничем не отличается от рассчитанной позади объекта в рамках решения прямой задачи дифракции. Сами картины объекта в данном случае характеризуются размытием профиля фазового сдвига, появлением флуктуаций фазового сдвига противоположного знака, падением интенсивности изображения в центре объекта и увеличением интенсивности изображения в пределах периферии объекта. При положительной дефокусировке фазовая картина плазменного объекта похожа на наблюдаемую при положительной дефокусировке, но раскрываются небольшие отличия в формах профилей фазового сдвига.
В то же время яркостная картина объекта оказывается инвертированной, наблюдается увеличение интенсивности изображения в центре объекта и ее ослабление на периферии объекта. Другими словами, происходит инверсия контраста изображения объекта.
«Глубокое понимание основных принципов визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения имеет решающее значение для их прецизионной регистрации и последующего восстановления диэлектрической проницаемости или распределения электронной плотности, — отметил Даниил Толбухин, инженер лаборатории прецизионной оптомехатроники МФТИ. — Важно также понимать, как именно визуализируется объект при его съёмке оптической линзовой системой, поскольку становится существенным эффект дефокусировки, когда объектная плоскость линзы или объектива не сфокусирована на выходную плоскость объекта. Наша работа последовательно и методично объясняет все аспекты данных проблем, а также предоставляет регламент их решения. Более того, дифракционные эффекты, которые искажают яркостные и фазовые картины объекта, можно обратить на пользу в процедуре восстановления характеристик просвечиваемого объекта по результатам его лазерной дифракционной съёмки. Это мы покажем в наших последующих исследованиях».
«Быстро эволюционирующие плазменные микроструктуры являются наиболее трудными для оптических измерений. Исследовать оптические характеристики таких объектов можно посредством их взаимодействия с когерентным лазерным излучением. Однако даже в самых простых приближениях взаимодействие лазерного излучения с микроструктурированным плазменным объектом может сопровождаться сложными дифракционными эффектами, существенно искажающими его фазовые и яркостные картины. Это неизбежно влияет на результаты фотографической съёмки с использованием лазерного излучения, приводя к некорректным данным при восстановлении параметров объекта. Данная проблема до сих пор значима во многих направлениях фундаментальной и прикладной науки, — отметил Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности руководителя лаборатории лазерной диагностики плазменных структур ФИАН. — Результаты наших исследований раскрывают суть дифракционных эффектов, сопровождающих процесс визуализации плазменных микроструктур, позволяя учесть их при обработке лазерных изображений и значительно повысить точность их математической обработки. В дальнейшем результаты исследований могут быть полезны для развития прецизионных методов контроля генерации плазмы в импульсных газоразрядных системах, а также при создании комплексов лазерной дифракционной томографии высокого временного и пространственного разрешения».
Результаты исследований открывают большие возможности в реализации экспериментов по исследованию быстро эволюционирующих плазменных микрообъектов. Понимание ключевых аспектов дифракции лазерного излучения и закономерностей в визуализации плазменных структур позволяет значительно упростить дизайн оптических систем с лазерным зондированием, включая сами принципы регистрации плазменных объектов. Это делает результаты работы востребованными и полезными для широкой научной аудитории.
Научная статья: E. V. Parkevich, A. I. Khirianova, T. F. Khirianov, K. T. Smaznova, D. V. Tolbukhin, V. M. Romanova, I. A. Kozin, and S. A. Ambrozevich. Strong diffraction effects accompany the transmission of a laser beam through inhomogeneous plasma microstructures. Phys. Rev. E 109, 055204 – Published 14 May, 2024. https://doi.org/
Источник: https://habr.com/

Группе ученых из Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) удалось в несколько раз увеличить коэффициент полезного действия лазеров на NV-центрах алмазов. Изучение физики процесса лазерной генерации на дефектах кристаллической решетки искусственного алмаза позволит в перспективе создавать на их основе квантовые сенсоры для навигации и работы в экстремальных условиях космоса.
«NV-центрами называются дефекты структуры в синтетическом алмазе, состоящие из одного атома замещающего азота (N) и соседнего вакантного — не занятого атомом углерода узла решетки (V). Они имеют много интересных свойств, например на их основе можно делать датчики магнитных полей и температуры, мы же на них получаем лазерную генерацию», — говорит руководитель проекта научный сотрудник лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Евгеньевич Генин.
Как объясняет ученый, алмазные лазеры потенциально могут существенно превзойти другие твердотельные лазеры (на иттрий-алюминиевом гранате, сапфире, форстерите и пр.) по многим характеристикам. Например, если теплопроводность алмаза составляет до 2 300 ватт на метр на кельвин, то у других материалов, используемых в твердотельных лазерах, — не более 40. Коэффициент температурного расширения у алмаза примерно в пять-семь раз ниже, что позволяет обеспечить стабильность геометрии активного элемента даже при существенном изменении температуры, а высокая радиационная стойкость делает алмаз пригодным для использования в самых агрессивных условиях.
Несмотря на все эти достоинства, десятки лет исследователям во всем мире не удавалось добиться лазерного излучения от NV-центров в алмазах. Настоящий прорыв произошел в 2021 году, когда с участием сотрудников ИСЭ СО РАН удалось зарегистрировать импульсы излучения алмазного кристалла, обладавшие относительно узким спектром и направленностью, наносекундной длительности в красной области спектра при накачке лазерным излучением в зеленой области. Позже в ИСЭ СО РАН добились энергии лазерного импульса до 48 микроджоулей при коэффициенте полезного действия до 1 %: подобное значение КПД свойственно лазерам многих типов. К настоящему времени ученые вышли на энергию лазерного импульса до 200 микроджоулей при КПД до 6 %, что позволяет уже говорить о возможностях практического применения.
«На основе алмазных лазеров могут создаваться различные передовые приборы для навигации: магнитометры, гироскопы, термометры и так далее. Также интересна идея с передачей сигналов между частями электронной начинки космических аппаратов по оптоволокну вместо металлических проводников. Для этого нужны радиационно стойкие лазеры — алмазные подходят идеально. Однако для их создания и обеспечения стабильной работы необходимо изучить фундаментальные основы протекания лазерной генерации на NV-центрах. По итогам выполнения проекта предполагается получить зависимости энергетических, спектральных и временных характеристик этого процесса от температуры в диапазоне от 80 кельвинов до комнатной», — комментирует Дмитрий Генин.
Предварительные эксперименты, проведенные при охлаждении образца — алмазного кристалла с NV-центрами, помещенного в криостат при температуре около 80 кельвинов, показали, что полоса генерации, имеющая при комнатной температуре полуширину порядка шести нанометров, при понижении температуры расщепляется на две компоненты, неравные по амплитуде. Детальное изучение этого аспекта важно для понимания физики процессов, происходящих в процессе накачки и лазерной генерации в данной активной среде.
Источник: https://www.sbras.info/