Аннотация результатов, полученных в 2021 году
- Предсказано новое явление самоостановки света в резонансной среде, возникающее при когерентном распространении малоциклового импульса в однородной среде. В этом случае в среде возникает связанная структура поля и вещества, осциллирующая во времени, но не движущаяся в пространстве. Разработана теория данного явления, проведено численное моделирование. Результаты данной работы приняты к печати в журнал Phys. Rev. Lett. - Для характеристики воздействия униполярных импульсов на квантовую систему введено новое понятие "атомная мера электрической площади". Величина равна отношению постоянной Планка к характерному размеру квантовой системы и электрическому заряду квантовой частицы. Она универсальна и может быть использована для оценки степени эффективности действия униполярных и квазиуниполярных импульсов на различные квантовые системы. Результаты данных исследований опубликованы в работах [Письма в ЖЭТФ, 114(3), 156-159 (2021); Physical Review A 104 (6), 063101 (2021); Оптика и спектроскопия, 130(3), 414-416 (2022)]. - Был теоретически продемонстрирован режим когерентной синхронизации мод в двухсекционном лазере с ультракоротким резонатором (длиной порядка 10 микрон). Было численно показано, что в таком случае возможно получение импульсов длительностью вплоть до одного цикла колебаний. Для использованных моделей были выведены несколько правил подобия, которые допускают масштабирование всех найденных решений. Применений данных правил подобия может позволить получить импульсы еще меньшей длительности, при условии соответствующего масштабирования параметров лазерных сред (резонансной частоты, дипольного момента, концентрации активных центров). Результаты данного исследования опубликованы в работе [Phys. Rev. A 105, 013526 (2022)]. - Изучены основные особенности взаимодействия малоцикловых аттосекундных импульсов с квантовыми системами. В результате проведенных исследований было показано, при нерезонансном возбуждении системы полупериодными импульсами с длительностью короче периода резонансного перехода их воздействие определяется электрической площадью импульса и сильно зависит от фазы CEP. А в случае воздействия многоцикловых импульсов с длительностью длиннее периода резонасного перехода, возбуждение системы не зависит от CEP и определяется площадью огибающей импульса. В промежуточной ситуации воздействие определяют как электрическая площадь, так и площадь огибающей. Результаты данного исследования опубликованы в работе [JETP Letters, 114 (5), 250-255 (2021)]. - Изучено возбуждение колебательных уровней полярных молекул с помощью субцикловых униполярных импульсов. Показано, что в таком случае воздействие импульса на молекулу определяется величиной электрической площади униполярного импульса. Введена также соответствующая молекулярная мера электрической площади для колебательных мод молекулы. Результаты данного исследования опубликованы в работе [Physical Review A 105, 043103 (2022)]. - Найдено простое соотношение, показывающее, что для сравнения воздействия униполярных полуцикловых и резонансных многоцикловых импульсов на атомные системы, необходимо сравнивать электрическую площадь униполярного импульса и площадь огибающей биполярного импульса, а не их энергии [Р . М . Архипов. М . В. Архипов, Н. Н. Розанов “Сравнение воздействия униполярных полуцикловых и резонансных многоцикловых электромагнитных импульсов на квантовые системы”, Оптика и спектроскопия (2022), в печати). - Показана возможность эффективного сверхбыстрого управления населенностями уровней в квантовых ямах с помощью униполярных полупериодных импульсов. Показано, что населенности уровней определяется отношением электрической площади импульса к ее атомной мере. Показана возможность когерентного управления и создания решеток населенностей в среде на основе квантовых ям с помощью пары аттосекундных импульсов [Квантовая электроника, принята к печати; Оптика и спектроскопия, Т.130 (6), 969-973 (2022), в печати]. - Впервые продемонстрировано выполнение таких временных преобразований, как временное интегрирование и дифференцирование, для субцикловых униполярных импульсов, а точнее непосредственно для временной зависимости напряженности электрического поля таких импульсов. Ранее данные операции осуществлялись лишь для медленно меняющейся огибающей длинных многоцикловых импульсов. Результаты данных исследований были опубликованы в работе [A.V. Pakhomov, R.M. Arkhipov, M.V. Arkhipov, N.N. Rosanov, "Time integration and differentiation of unipolar pulses of unusual shape", Quantum Electronics 51 (11), 1000 (2021)]. - В титан-сапфировом лазере с когерентным поглотителем впервые экспериментально продемонстрирована крайне богатая динамика одно- и многосолитонных режимов. Показано наличие солитонных молекул, солитонного газа и случайных событий. В отличие от солитонов, наблюдаемых в других системах, здесь время затухания поляризации атома намного больше, чем время прохождения солитона по резонатору туда и обратно. Эта долговременная фазовая память является определяющей их динамику. Наблюдаются слияние солитонов, поглощение солитонов, взрывоподобный распад и исчезновение солитонов. Слияние многих солитонов в один с большой амплитудой и малой длительностью, возможно, имеет потенциал для применения при укорочении импульсов лазерной генерации. Первые результаты, фиксирующие приоритет в наблюдении экстремальных событий в системе диссипативных солитонов СИП, опубликованы в [N.N. Rosanov, I.A. Aleksandrov, M.V. Arkhipov, R.M. Arkhipov, I. Babushkin et al. "Dissipative aspects of extreme nonlinear optics", Quantum Electronics 51 (11), 959 (2021).]. - Создание экспериментальной установки и разработка методики измерения энергии ТГц излучения генерируемого при лазерном возбуждении образцов объемных топологических изоляторов саеленида (Bi2Se3) и теллурида (Bi2Te3) висмута [Petr A. Obraztsov, Pavel A. Chizhov et al. Terahertz Detection with Optically Gated Halide Perovskites ACS Photonics Article ASAP 2022 DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00036; Petr. A. Obraztsov , Pavel A. Chizhov et al. Optically induced helical terahertz beam generation from Bi2Te3 topological Insulators (to be published). В ходе выполнения работ по проекту были отобраны, охарактеризованы и подготовлены для проведения экспериментов образцы кристаллов Bi2Se3 и Bi2Te3, а также эпитаксиальные пленки Bi2Te3 диэлектрических подложках из BaF2. На базе фемтосекундного титан-сапфирового лазера создана экспериментальная установка и разработана методика время-разрешенных измерений терагерцового отклика фотовозбужденных образцов исследуемых материалов. Установка позволяет изучать как процесс генерации ТГц импульсов в исследуемых материалах, так и возможности детектирования ТГц импульсов с их помощью. Проведено систематическое исследование процесса генерации ТГц импульсов в Bi2Se3 и Bi2Te3 при их возбуждении наклонно падающими лазерными импульсами с центральной длиной волны 800 нм и длительностью ~40 фемтосекунд. Экспериментально установлено, что что возбуждение любой поверхности трехмерного топологического изолятора Bi2Se3 и Bi2Te3 с помощью наклонно падающих произвольно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов индуцирует ТГц-отклик, который зависит от состояния поляризации и угла падения света возбуждения. Проведенные поляризационно-чувствительные измерения выявили наличие раздельных вкладов от объема и поверхности кристаллов в процесс генерации ТГц. Комбинируя ориентацию образца и изменение поляризации оптической накачки, можно индуцировать сверхбыстрые спиральные фототоки в Bi2Te3, приводящие к генерации переменных спин-поляризованных терагерцовых пучков с различной хиральностью. Предложенный метод генерации терагерцовых импульсов со сложной структурой поля может быть применим к различным материалам, обладающим свойствами топологического изолятора.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В оптику когерентного взаимодействия света с веществом введено новое понятие - “интерференции” площадей импульсов. С точки зрения «интерференции площадей» интерпретированы: наведение и сверхбыстрое управление решетками разности населённостей среды с помощью коротких импульсов, голографическая запись со сверхвысоким временным разрешением помощью униполярных импульсов. Результаты опубликованы в статье [Arkhipov R., Arkhipov M., Pakhomov A., Rosanov N. (2022). Interference of areas of subcycle light pulses. Laser Physics, 32(6), 066002, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1555-6611/ac6ace/meta], детально обсуждаются в обзорах [Архипов Р.М., Архипов М.В., Пахомов А.В., Дьячкова О.О., Розанов Н.Н., “Интерференция электрических площадей и площадей огибающей сверхкоротких световых импульсов в квантовых системах (обзор)”, "Известия вузов. Радиофизика", принята к печати (2023); Р.М.Архипов, М.В.Архипов, А.В.Пахомов, П.А.Образцов, Н.Н.Розанов, “Униполярные и субцикловые предельно короткие импульсы: последние результаты и перспективы (Миниобзор)”, Письма в ЖЭТФ, том 117, вып. 1, с. 10 – 28 (2023) - http://www.jetpletters.ru/ps/2405/article_35477.shtml]. Предложена и теоретически проанализирована трехступенчатая схема генерации униполярного терагерцового импульса с большой электрической площадью, которая может быть сравнима с ее атомной мерой для молекулярной среды. Данная ситуация возникает, когда фемтосекундный лазерный импульс распространяется в волноводе с газом, помещенной в постоянное внешнее поле. Источником излучения в данном случае является короткий импульс уединенной поляризации, распространяющийся со скоростью света. Результаты данного исследования опубликованы в работе [М.В. Архипов, Р.М. Архипов, Н.Н. Розанов, “Генерация униполярных импульсов терагерцового излучения с большо электрической площадью”, Оптика и спектроскопия, 2022, том 130, вып. 8, стр.1216-1222- https://journals.ioffe.ru/articles/52908] Изучена динамика столкновения одноцикловых аттосекундных импульсов в двухуровневой резонансной среде на основе численного решения системы уравнений Максвелла-Блоха. Показано, что при столкновении таких импульсов в среде возникают узкие и чередующееся участки малых размеров, в которых формируются волны поляризации среды, бегущие в противоположных направлениях. Эффект демонстрирует необычные возможности сверхбыстрого управления резонансными средами за временные интервалы порядка длительности импульса. Результаты данного исследования опубликованы в работе [М.В. Архипов, Р.М. Архипов, Н.Н. Розанов, “Особенности поведения волн поляризации при возбуждении протяженной резонансной среды перекрывающимися предельно короткими световыми импульсами”, Оптика и спектроскопия, 2022, том 130, вып. 9, 1397-1401- https://journals.ioffe.ru/articles/53301]. Разработан новый оригинальный метод для получения униполярных импульсов различной формы, например, прямоугольной или треугольной, в терагерцовом диапазоне. В основе предложенного метода лежит когерентное управление наведённой поляризацией в слое рамановской среды с помощью пары многоцикловых фемтосекундных импульсов. При этом управление временным профилем генерируемых униполярных импульсов осуществляется при изменении пространственного профиля концентрации атомов вдоль слоя. Результаты опубликованы в работе [Pakhomov A., Arkhipov M., Rosanov N., Arkhipov R., «Generation of waveform-tunable unipolar pulses in a nonlinear resonant medium», Physical Review A 106, 053506 (2022)]. Предложен новый способ получения униполярных импульсов различной формы в оптическом диапазоне частот при возбуждении слоя двух- или многоуровневой среды парой субцикловых импульсов. Было показано, что в среде при этом формируется полуволна наведенной поляризации, коллективное излучение которой (сверхизлучение) имеет вид пары разнесённых по времени униполярных импульсов варьируемой формы. Изменение формы получаемых униполярных импульсов осуществляется посредством задания определённого профиля концентрации резонансных атомов вдоль протяженного слоя среды. Результаты опубликованы в работах [А. В. Пахомов, М. В. Архипов, Н. Н. Розанов, Р. М. Архипов, «Сверхизлучение протяженной резонансной среды, возбуждаемой полуцикловыми аттосекундными импульсами», Письма в ЖЭТФ, т. 116, с. 151-158 (2022); Р. М. Архипов, М. В. Архипов, А. В. Пахомов, О. О. Дьячкова, Н. Н. Розанов, «Излучение уединенного импульса поляризации, движущегося со скоростью света», Письма в ЖЭТФ, т. 117, с. 580-589 (2023)], также подготовлена к публикации статья [Pakhomov A., Rosanov N., Arkhipov M., Arkhipov R., «Tailoring the waveshape of optical unipolar pulses in a multi-level resonant medium», Physical Review A (under review); preprint: https://arxiv.org/pdf/2303.11116.pdf]. Изучено излучение уединённого импульса поляризации, движущегося со скоростью света. Создаваемое им поле полностью локализовано внутри импульса поляризации, а его амплитуда растёт прямо пропорционально пройденному расстоянию. Показано, что уединённый импульс поляризации излучает вовне только при изменении своей амплитуды со временем и в моменты своего образования и исчезновения [Р. М. Архипов, М. В. Архипов, А. В. Пахомов, О. О. Дьячкова, Н. Н. Розанов, «Излучение уединенного импульса поляризации, движущегося со скоростью света», Письма в ЖЭТФ, т. 117, с. 580-589 (2023)]. Проведён анализ выполнения закона сохранения электрической площади («правило Розанова») в теоретических моделях, основанных на уравнении синус-Гордона, которое широко применяется для описания распространения предельно коротких импульсов в резонансных средах. Показано, что данное уравнение не согласуется с законом сохранения электрической площади импульса и не может применяться для корректного описания эффектов распространения предельно коротких импульсов в средах. Разработаны программные коды для численного решения уравнений Максвелла-Блоха для распространения электромагнитных импульсов в многоуровневой резонансной среде. Исследования экситонов в полупроводниковых гетероструктурах позволили получить энергии связи, волновые функции и скорости радиационного распада основного состояния экситона в Т-образной структуре на основе GaAs и CdTe. Были определены параметры структур для получения максимальной радиационной ширины основного состояния. Теоретически изучена динамика ЭМИР инверсии разности населенности, наводимых аттосекундными pi/2- импульсами [Опт. и спектр. Т. 130 №11 С. 1707 (2022) https://doi.org/10.21883/OS.2022.11.53777.4135-22] и 2pi-импульсами [Opt. Comm. V. 538, P. 129475 (2023) https://doi.org/10.1016/j.optcom.2023.129475] негармонической - прямоугольной - формы. Продемонстрировано множество возможностей сверхбыстрого управления и переключения состояний пространственных параметров среды с помощью униполярных негармонических импульсов. В титан-сапфировом лазере с ячейкой с парами Cs внутри резонатора применением радиоспектроскопических методов регистрации параметров диссипативных солитонов самоиндуцированной прозрачности (СИП) на переходе 852 нм в Cs показано, что на нерегулярные режимы влияет тонкая структура перехода из-за расщепления основного состояния. Создана теория, позволяющая оценить интервал времени между экстремальными событиями. Экспериментально исследован эффект захвата частоты на переходе 852 нм в Cs. Вопреки существовавшим ранее представлениям, он не носит поляритонный характер. Обнаружена необычная особенность люминесценции атомов Cs в поле импульсов СИП. Люминесценция перестает возбуждать атомы, окружающие зону распространения излучения лазера в ячейке с парами Cs. Временная форма и спиральность (амплитуда и фаза излучаемой) ТГц волны импульсов ТГц излучения генерируемых в кристаллах Bi2Se3 и Bi2Te3 определяется поляризацией оптической накачки и ориентацией кристалла. Предложена модель, позволяющая интерпретировать экспериментальные результаты.