Фотоника и спектроскопияНИР

Photonics and spectroscopy

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
9 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа: В рамках данной тематики исследований был получен ряд результатов в области магнитооптики, акустооптики, плазмоники, спектороскопии сегнетоэлектрических материалов и т.  д. Наиболее значимые результаты слеующие: Проведено теоретическое и экспериментальное исследование меридионального магнитофотонного интенсивностного эффекта в плазмонных кристаллах, выявлены условия его возникновения. Развита теоретическая модель возникновения эффекта. Найдены условия достижения его наибольшей величины. Установлено, что в зависимости от параметров структуры величина эффекта может достигать десятков процентов. Исследованы свойства преобразования поляризации в гиротропных плазмонных волноводах, содержащих естественно-активные или магнитооптические диэлектрики. Установлены условия наибольшего преобразования поляризации, а также условия делокализации волны. Исследованные эффекты подтверждены экспериментально. Изучено изменение формы и импульса поверхностных плазмон-поляритонов посредством фотовозбуждения электронов металла. Показано, что компрессия импульса может достигать 20%, а изменение времени задержки между импульсами - 15 фс. Исследовано распространение магнитоплазмонов в цилиндрических системах с азимутальной намагниченностью. Установлены условия наибольшей величины магнитооптической невзаимности, на порядок величины превышающей эту же величину для планарного случая. Изучено взаимодействие плазмон-поляритонных импульсов в среде с керровской нелинейностью. Выявлены условия режима отражения сигнального импульса от импульса накачки. Проведено исследование взаимодействия поверхностных плазмон-поляритонов с поверхностными акустическими волнами. Рассмотрена возможность усиления эффективности акустооптического взаимодействия за счет возбуждения поверхностного плазмон-поляритона. С помощью численного моделирования показано, что в случае одновременного выполнения условия Брэгга и условия возбуждения поврхностного плазмон-поляритона удается достичь усиления акустооптического эффекта более чем в 10 раз. При этом осуществляется коллинеарное взаимодействие плазмон-поляритонов. Предложен метод оценки амплитуды напряженности терагерцового импульса при осуществлении его регистрации в газовых средах. При генерации терагерцового излучения в условиях оптического пробоя двухчастотными лазерными импульсами с длительностью 120 фс, центральной длиной волны 800 нм, частотой повторения 1 кГц и энергией в импульсе 550 мкДж амплитуда напряженности электрического поля терагерцового импульса, измеренного в точке максимума составляет величину 2,5±0,3 кВ/cм. Создана модель описывающая сложные диэлектрические спектры разных материалов, основанная на представлении о присутствии в них наряду с преобладающим диэлектрическим откликом дополнительного – отклика проводящей подсистемы в диэлектриках и диэлектрического в проводящих материалах. Теория была применена для расчета измеренных нами в широком частотном (102- 1011 Гц) и температурном (20оС-60оС) интервалах диэлектрических спектров сегнетоэлектрика триглицин-сульфат. Полученные результаты позволили расширить представления о динамике доменной структуры в сегнетоэлектриках. Разработана новая модель сверхразрешения в пассивном радиовидении, основанная на алгоритмах редукции Ю.П.Пытьева. Модель применена в системах 24-канального радиометра, разработанного промышленностью. Кроме того, в результате обработки этим методом радиоизображений Солнца, полученных на самом крупном в мире радиотелескопе с 600-м зеркалом (Специальная астрономическая обсерватория на Северном Кавказе), обнаружены новые источники теплового радиоизлучения в хромосфере светила. В области магнитно-резонансной томографии, радиофизически относящейся к методам активного радиовидения, разработаны новые методики локальной мультиядерной ЯМР спектроскопии (на протонах и более тяжелых ядрах – дейтерия, фтора, углерода и фосфора), предназначенные для молекулярной МРТ визуализации внутренних органов живых объектов и регистрации метаболического портрета биохимических процессов в томографически выделенных участках ткани. С помощью этой методики можно осуществлять in vivo неинвазивную биопсию новообразований, измерять температуру внутренних органов, выявлять результат терапевтического действия введенных в организм фармпрепаратов.
10 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа:
11 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа:
12 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа: Предложен новый метод генерации и управления спиновыми волнами с помощью сверхкоротных лазерных импульсов. Данный подход обеспечивает точечную направленную генерацию, переключение между разными типами спиновых волн. За счет использования периодических импульсов с периодом меньше времени релаксации осцилляций намагниченности генерация происходит в определенном узком интервале частот, при этом длина волны спиновой волны изменяется в пределах от десятков до сотен микрометров при слабом изменении периода повторения импульсов или внешнего магнитного поля на 10 Э. Предложен и продемонстрирован новый метод управления светом с помощью электрического поля, приложенного локально к магнитной доменной стенке. Смещение доменной стенки приводит к изменению средней намагниченности образца в области засветки и как следствие к магнитооптическому эффекту. Подобное наноустройство работает как миниатюрный фарадеевский модулятор. Предложен метод управления поверхностными плазмон-поляритонами с помощью акустических волн в субтерагерцовой области спектра. Акустическая структура представляет собой фононный микрорезонатор Фабри-Перо с плазмонной решеткой. Наибольшая модуляция достигается при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов и гибридизации распространяющихся и локализованных плазмонов. Относительное изменение коэфициента отражения более чем на порядок величины усиливается по сравнению со структурой без плазмонного слоя. Построена теоретическая модель рассеяния света в магнитной среде с некоррелированными случайными включениями и получены выражения для магнитооптического поляризационного эффекта. Теоретически исследованы свойства поверхностных плазмон-поляритонов в металлических структурах с топологическими изоляторами, проанализировано влияние аксионного эффекта на поляризационные, дисперсионные и ближнепольные характеристики плазмон-поляритонов. Предсказана теоретически и продемонстрирована в эксперименте оптическая невзаимность при прохождении лазерного излучения сквозь квазиколлинеарную акустоотпическую ячейку в которой возбуждается бегущая акустическая волна, однако ее частота подобрана таким образом, чтобы условие брэгговского синхронизма было нарушено. Величина расстройки должна быть минимальной, но вместе с тем необходимой для отсутствия акустооптической дифракции. Создана экспериментальная установка для исследования и визуализации угловых спектров отражения плазмонных структур в дальнем и среднем ИК диапазоне. Проведено исследование спектров отражения трехслойной металл-диэлектрической структуры, являющейся основой для акустоплазмонного модулятора. В рамках изучения механизмов релаксационной диэлектрической дисперсии для описания широкополосных диэлектрических спектров сегнетоэлектрика триглицинсульфата впервые привлечена модель динамической проводимости. Модель позволяет учесть одновременный вклад в процессы поляризации всех трех основных механизмов, формирующих диэлектрический отклик: вращение диполей в вязкой среде, сквозную и динамическую проводимость, а также колебательное движение элементов структуры.
13 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа:
14 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа: Разработаны и исследованы новые типы магнитоплазмонных структур, обеспечивающих большее усиление магнитооптических эффектов. Исследована возможность применения в магнитооптике магнитоэлектрического эффекта для разработки принципиально новых устройств фотоники. Предложен эффективный метод магнитооптического исследования сверхтонких магнитных пленок, позволяющий получить сведения об их состоянии намагниченности и магнитооптических свойствах. Развита оптическая методика локального манипулирования намагниченностью в субпикосекундных масштабах. Теория акустооптического взаимодействия обобщена на слоистые среды. Проведены широкие мультиядерные исследования в области МРТ и ЯМР спектроскопии.
15 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа: 1. Теоретически и экспериментально обнаружено усиление магнитооптического эффекта Фарадея в двумерной магнитоплазмонной решетке с квадратной элементарной ячейкой. Структура состоит из диэлектрической магнитной пленки висмут-замещенного феррита-граната малой толщины (100 нм), покрытой перфорированным слоем золота. Экспериментально и теоретически показано усиление фарадеевского вращения примерно в 2 раза, несмотря на отсутствие волноводных мод. Это происходит главным образом за счет возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов, распространяющихся на границе раздела золото-гранат в двух ортогональных направлениях вдоль векторов решетки плазмонной периодической структуры. 2. Теоретически и экспериментально исследованы особенности магнитооптического отклика магнитоплазмонных структур, характеризующихся нарушением зеркальной симметрии, и обнаружен резонансный магнитооптический . Поскольку намагниченные среды по своей природе нарушают взаимность во времени, пространственная симметрия материала также имеет решающее значение и накладывает некоторые ограничения на наблюдаемые оптические явления. Таким образом, для нормального падения света симметрия пространственной инверсии делает проходящий и отраженный свет нечувствительным к направлению намагниченности образца в плоскости. Чтобы избежать этого ограничения, предложен подход, основанный на использовании магнитоплазмонной структуры с нарушенной пространственной симметрией. Комбинация специально разработанной пространственной асимметрии с магнетизмом при наличии оптических потерь дает особый эффект, а именно экваториальный магнитооптический интенсивностный эффект в пропускании. Он заключается в значительной магнитооптической модуляции оптического пропускания при нормальном падении, усиленной при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов. Поскольку это явление чувствительно к асимметрии, оно может служить мощным инструментом для изучения спиновых волн и токов в магнонных и оптоспинтронных устройствах. Подход, объединяющий понятия магнитоплазмоники и нарушения пространственной симметрии, является перспективным для создания высокоэффективных устройств нанофотоники. 3. Теоретически и экспериментально исследованы особенности магнитооптических эффектов в двумерных магнитоплазмонных кристаллах с разной структурой. Для управления светом с помощью магнитного поля можно использовать магнитооптические наноструктуры. Отклик известных периодических структур является резонансным и узкополосным и зависит от угла падения света. Исследованные двумерные периодические и квазикристаллические структуры состоят из слоя с золотой решеткой на поверхности магнитной диэлектрической пленки. Обнаружены широкополосные магнитоплазмонные эффекты в двумерных квазикристаллических структурах, такие как экваториальный магнитооптический эффект Керра и эффект Фарадея. Более того, была продемонстрирована их независимость от поляризации света и угла падения. 4. Магнитные наноструктуры позволяют многократно усиливать магнитооптические эффекты за счет возбуждения оптических резонансов. Предложен новый тип магнитной структуры, представляющей собой двумерную полностью диэлектрическую решетку из висмут-замещенного феррита-граната. Проведено аналитическое описание усиления эффекта Фарадея в такой структуре за счет возбуждения волноводных мод и выявлены условия резонансного усиления эффекта. Впервые экспериментально продемонстрировано резонансное усиление эффекта Фарадея в полностью диэлектрических магнитных наноструктурах. 5. Предложены фотонно-кристаллические наноструктуры с магнитным слоем градиентной толщины для перестраиваемого обратного эффекта Фарадея. В такой наноструктуре можно наблюдать дефектную моду оптического фотонного кристалла, когда в запрещенной зоне спектра пропускания появляется резкий резонансный пик. Этот пик сопровождается сильной локализацией света в магнитном слое. Таким образом, можно наблюдать резкое усиление обратного эффекта Фарадея. Спектральное положение и амплитуда этого пика зависит от толщины магнитного слоя. Рассмотрены два типа магнитных фотонно-кристаллических наноструктур. Первый тип имеет гладкий магнитный слой с градиентом толщины, который позволяет постепенно настраивать спектральное положение пика в спектрах пропускания и обратного эффекта Фарадея. Вторый тип имеет перфорированный магнитный слой и обеспечивает пространственно-локализованное появление обратного эффекта Фарадея в областях размером несколько микрон. 6. Обнаружено взаимное влияние динамики спиновых волн и свойств асимметрии магнитоплазмонной наноструктуры. В структурах с нарушением пространственной симметрии интенсивность магнитооптического отклика в пропускании испытывает ненулевую модуляцию даже при нормальном падении света, когда внешнее магнитное поле приложено в поперечном направлении. Рассмотрена металлическая плазмонная наноструктура, нанесенная поверх магнитного слоя, имеющая нарушение пространственной симметрии. Элементарная ячейка плазмонной решетки пространственно несимметрична вдоль чередующегося направления ячеек решетки. Таким образом, симметрия структуры нарушается относительно поворота на 180 градусов вокруг нормали к наноструктуре. Другими словами, вектор асимметрии направлен вместе с периодичностью плазмонной структуры металла. Поверхностные плазмон-поляритоны, возбуждаемые на границе [металл] / [магнитный диэлектрик] рассматриваемой структуры, испытывают различные условия для режимов, движущихся вперед и назад. Эта неэквивалентность двух плазмонных мод, распространяющихся в противоположных направлениях, возникает из-за асимметрии рассматриваемой магнитоплазмонной наноструктуры. Возбуждение спиновых волн в магнитном слое наноструктуры приводит к модуляции ее намагниченности. В результате магнитооптический отклик магнитоплазмонной наноструктуры также зависит от возбуждения спиновых волн. 7. Предложены магнитные фотонно-кристаллические структуры с ферритом-гранатом, обладающие высокодобротными резонансами Таммовских поверхностных волн. Показано, что амплитуда экваториального эффекта Керра при возбуждении Таммовских волн значительно усиливается и достигает 98%. Поверхностные Блоховские, или Таммовские, состояния света, реализуемых в фотонных кристаллах, характеризуются значительным усилением магнитооптических эффектов при их возбуждении, достигаемым за счет чувствительности таких волн к намагниченности материалов. Такие структуры перспективны для создания магнитооптических модуляторов, предназначенных для управления интенсивностью оптического излучения в системах передачи данных, а также обработки оптической информации. Достоинством магнитооптических модуляторов является возможность их значительной миниатюризации и достижения высоких скоростей работы, однако эффективность их сравнительно невелика. Продемонстрирована возможность повышения глубины модуляции вплоть до 100% за счет экваториального эффекта Керра при возбуждении Таммовских поверхностных волн в магнитном фотонном кристалле. Предложенная структура состоит фотонного кристалла, нанесенного на призму из материала с большим показателем преломления, поверх которой нанесена толстая пленка феррита-граната. Структура подобрана таким образом, чтобы возбуждаемая волна имела поверхностный (эванесцентный) характер внутри феррита-граната. Эффект Керра является поверхностным эффектом, поэтому в этом случае усиливается влияние магнитного поля на коэффициент отражения структуры за счет магнитооптической модуляции поверхностной Таммовской моды. 8. Исследованы связанные состояния в континууме, реализуемые на базе одномерного фотонного кристалла с дефектом. Теоретически продемонстрирована возможность управления локализацией излучения в таких фотонных кристаллах под действием внешнего магнитного поля. Показано, что реализация связанных состояний в континууме внутри фотонного кристалла на дефектной моде позволяет осуществлять эффективное преобразование поляризации, приводящее к модуляции интенсивности излучения. Связанное состояние в континууме в фотонном кристалле с дефектом реализовано при этом для случая наклонного падения лазерного пучка следующим образом. При падении под углом Брюстера монохроматический пучок света с ТМ-поляризацией имеет 100%-е прохождение через структуру, в то время как световой пучок с ТЕ-поляризацией может иметь почти полное отражение от чередующихся слоёв, если на угле Брюстера расположить фотонную запрещённую зону кристалла. Это значит, что если внутри кристалла при помощи внешнего магнитного поля, развернуть поляризацию падающего ТМ-поляризованного света на π/2 за счет эффекта Фарадея, то ТЕ-поляризованный свет запрётся внутри дефекта фотонного кристалла, многократно отражаясь от слоёв, идущих до и после него. Таким образом, мы получим волну с ТЕ-поляризацией, локализованную внутри дефекта. Локализованная в дефекте кристалла волна фвляется примером связанного состояния в континууме, что представляет особый интерес, так как такие состояния обладают очень большой добротностью. 9. Изучено возникновение обратного эффекта Фарадея при возбуждении собственных мод планарного волновода из феррита-граната. В отсутствие внешнего магнитного поля собственные моды имеют линейную поляризацию, и, следовательно, не могут индуцировать поле обратного эффекта Фарадея. Однако приложение внешнего магнитного поля в полярной или меридиональной конфигурации вызывает появление добавок ортогональной поляризации, а сама поляризация моды становится эллиптической. Таким образом, оказывается возможным наблюдать обратный эффект Фарадея при возбуждении волноводных мод в планарных феррит-гранатовых пленках. Показано, что наибольшее значение обратного эффекта Фарадея достигается для мод низших порядков. 10. Выполнен анализ фотонных структур с фонон-поляритонными и волноводными модами, с целью достижения наиболее высокой эффективность модуляции отраженного света. Также в анализ включены структуры с модами Фабри-Перо. Исследован вопрос о максимально достижимой частоте модуляции света для каждого типа структур. Показано, что моды Фабри-Перо перспективны для применения с поверхностными акустическими волнами, так как отличаются высокой чувствительностью при модуляции параметров следующего за призмой слоя. Фонон-поляритонные (и плазмонные) моды характеризуются слишком низкой добротностью, что приводит к малой эффективности модуляции, но позволяет достичь более высоких частот модуляции света. В то же время волноводные моды обеспечивают слишком узкие резонансы, что, хотя и ведет к высокому уровню модуляции, оказывается неудобным для практической реализации. 11. Выполнен расчет и анализ многослойных фотонно-кристаллических структур, в которых реализуется усиление акустооптического взаимодействия за счет возбуждения длиннопробежных плазмон-поляритонных мод. Структура на основе фотонного кристалла с металлическим слоем была изготовлена и исследована экспериментально. Показана возможность получения относительно высокой величины акустооптической модуляции света в данной структуре. На основе изученных структур предложена конструкция акустооптического модулятора. 12. Исследованы временные и спектральные характеристики фосфоресценции охлажденных до криогенных температур органических соединений. Полученные данные, после проведенного анализа, дают возможность предложить физический механизм возбуждения длительной фосфоресценции и оценить перспективы создания новых активных лазерных сред (на основе аналога матрицы Шпольского). 13.Проведение исследований по разработке новых методов МРТ визуализации легочной ткани и верхних дыхательных путей с применением контрастирующих фторсодержащих газов, испытано на добровольцах и опубликовано в журнале Q1
16 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа: Обнаружены новые особенности магнитооптических эффектов в структурах на основе феррит-граната. Обнаружены новые механизмы акустооптического взаимодействия в структурах с плазмонными модами, волноводными модами или модами Фабри-Перо. Проведено исследование по разработке новых методов МРТ визуализации легочной ткани и верхних дыхательных путей с применением контрастирующих фторсодержащих веществ.
17 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа: Разработан, создан и исследован новый вид материалов нанофотоники – полностью диэлектрическая магнитная метаповерхность на базе наноплёнки феррита-граната, покрытой кремниевыми нанодисками. В этих материалах наблюдается новый тип магнитооптического эффекта, который не проявляется в однородной плёнке – модуляция в поперечном магнитном поле интенсивности света, проходящего через метаповерхность и поляризованного перпендикулярно плоскости падения. Для оптической регистрации спиновых волн, у которых длина волны значительно меньше длины волны света, предложено использовать разработанные диэлектрические метаповерхности, а также плазмонные нанорешетки. Исследована возможность применения магнитоплазмоного дихроизма для полностью оптической магнитной записи. Впервые удалось оптически возбудить спиновые волны с селективностью по толщине структуры на уровне сотен нанометров. Продемонстрировано возбуждение квазистационарных мод стоячих спиновых волн в феррит-гранатовых микродисках (диаметр ~ 10-20 мкм) последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов. Удалось продемонстрировать магнитооптическую модуляцию поляризации и интенсивности вихревых пучков при их прохождении через магнитную плёнку за счёт эффекта Фарадея. При этом важным свойством такой модуляции является сохранение орбитального углового момента пучка. Показано, что двулучепреломление может усиливать магнитооптическое вращение, если поляризация падающего света и угол падения подобраны специальным образом.
18 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа: 1. Открыт новый магнитооптический эффект: топологический эффект Фарадея. 2. Разработан новый метод усиления и управления диаграммой направленности спиновых волн при их возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами. 3. Выявлены новые свойства сверхбыстрой спиновой динамики в неколлинеарной магнитной фазе при оптическом возбуждении. 4. Продемонстрирован новый магнитооптический эффект: нечетный магнитный линейный дихроизм. 5. Создан и исследован новый магнитный материал – тонкая магнитооптическая пленка феррита-граната на диамагнитной подложке. 6. Продемонстрировано оптическими методами постоянное существование магнонного БЭК на больших расстояниях от области возбуждения магнонов. 7. Выявлено, что периодическое пространственное распределение магнитного отклика в ферромагнитной части наноструктуры приводит к появлению периодической модуляции как поперечного магнитооптического эффекта Керра, так и эффекта Фарадея. 8. Экспериментально исследовано возбуждение магнонного Бозэ конденсата в пленке железо-иттриевого граната через акустическую связь 9. Представлены данные рентгеновских и мессбауэровских исследований мультиферроиков
19 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа:
20 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Фотоника и спектроскопия
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".