Transcript Отчет о работе кафедры оптики и спектроскопии за 2005

Кафедра оптики и
спектроскопии
2005-2010 гг.
Кафедра оптики и спектроскопии – одна из
старейших кафедр факультета. Специализация
«оптика» была введена в Московском университете
по инициативе С.И.Вавилова в 1930 году. Сама
кафедра была организована М.А.Леонтовичем в
1940 году на базе Оптической лаборатории
(Г.С.Ландсберг, Л.И.Мандельштам).
С 1946 по 1979 г.г. кафедрой заведовал профессор
Ф.А.Королев. В эти годы лекции на кафедре
читали такие известные оптики как С.И.Вавилов,
В.Л.Левшин, П.А.Бажулин, А.Р.Стриганов.
С 1979 по 1995г.г. кафедрой руководили
лауреат Нобелевской премии А.М.Прохоров и
профессор Л.С.Корниенко.
В настоящее время заведует кафедрой проф. В.В.Михайлин.
Сотрудники
Профессора (5): Михайлин В.В., Короленко П.В., Наний О.Е.,
Федосеев А.И., Сенашенко В.С.
Доценты (4): Васильев А.Б., Вохник О.М., Каменских И.А., Одинцов
А.И.
Старшие научные сотрудники (5): Колобанов В.Н., Лебедева В.В.,
Одинцов В.И., Семенова Н.Л., Чернов С.П.
Старший преподаватель: Туркин А.Н.
Так же на кафедре работают 3 н.с., 6 мл.н.с. и 19 физиков,
инженеров и механиков.
Всего на кафедре 43 сотрудника, из которых 18 человек участвуют в
педагогической работе.
Возрастной состав кафедры
Средний возраст сотрудников составляет 54 года
Кандидатские и докторские
диссертации





Докторская диссертация: ФЕДОСЕЕВ А.И. Процессы
генерации в движущихся лазерно-активных средах и
возможности управления динамическими режимами
работы лазеров (2007 г.)
Всего на кафедре работает 8 докторов наук
За последние 5 лет на кафедре 10 человек защитили
кандидатские диссертации
16 человек, работающих на кафедре, имеют кандидатскую
степень
В настоящее время на кафедре обучается 9 аспирантов
Студенты
Окончившие кафедру
Обучающиеся на кафедре
III курс
IV
курс
V курс
6-й семестр(весенний)
1 зачет, 1 экзамен
7-й семестр(осенний)
2 экзамен, 2 зачета
8-й семестр (весенний)
3 экзамена, 1 зачет
9-й семестр (осенний)
4 экзамена, 1 зачет
10-й семестр (весенний)
2 экзамена, 1 зачет
Экспериментальные
методы в оптике
д.ф.-м.н.В.В.Лебедева
зачет
Синхротронное излучение
и его применения
проф.В.В.Михайлин
экзамен
Физика лазеров
проф. О.Е.Наний
зачет
Физика лазеров
проф. О.Е.Наний
экзамен ( по выбору)
Введение в волоконную и
интегральную оптику
к.т.н. В.Г.Воронин
экзамен
Вопросы современной
оптики
проф.В.В.Михайлин
зачет
Основы физической оптики
доц.О.М..Вохник
зачет
Физика фундаментальных
взаимодействий
проф.П.В.Короленко
экзамен
Физика газовых лазеров и их
применения
проф.А.И.Федосеев
экзамен ( по выбору)
Спектроскопия твердого тела
проф.В.В.Михайлин
экзамен
Радиофизика и электроника
доц.С.И.Свертилов
зачет
Оптические спектры атомов
и молекул
доц.А.И.Одинцов
экзамен
Физика конденсированного
состояния вещества
проф. А.Н.Васильев
экзамен
Спектроскопия атомов и
атомные столкновения
проф.В.С.Сенашенко
зачет ( по выбору)
Оптические методы в
информатике
проф. О.Е.Наний
экзамен ( по выбору )
Оптика когерентного
излучения
проф.П.В.Короленко
экзамен
Молекулярная
люминесценция
проф.А.М.Салецкий
экзамен ( по выбору )
Вторичные процессы в
диэлектрических кристаллах
проф. А.Н.Васильев
зачет ( по выбору)
Лазерная спектроскопия
проф.А.И.Федосеев
экзамен ( по выбору )
Синхротронное излучение в
биологии и медицине
к.ф.-м.н. А.А.Вазина
зачет ( по выбору)
Люминесценция кристаллов
к.ф.-м.н.И.А.Каменских
экзамен ( по выбору )
Взаимодействие излучения с
веществом и нелинейная
оптика
д.ф.-м.н. В.И.Одинцов
экзамен
Статистическая оптика
проф.П.В.Короленко,
доц.А.И.Одинцов
зачет
С 2005 по 2009 годы педнагрузка составляла более 8000
часов. На 2010 г., в связи с новыми требованиями,
педнагрузка составляет 5546 часов
Практикумы и лаборатория специализации
III курс
IV
курс
V курс
8-й семестр
(весенний)
9-й семестр
(осенний)
6-й
семестр(весенний)
7-й
семестр(осенний)
Спецпрактикум
Спецпрактикум
Спецпрактикум
Спецпрактикум
1)оптический (к. 503) – 4
задачи
1)радиопрактикум 1-я
часть;
2)специальный
ядерный – 2
задачи;
3)оптический (к.5-03)
–2
задачи
1)лазерная и
волоконная
оптика (КНО, к.202) – 3
задачи;
2)нелинейная оптика
(к.4-13) - 1 задача
работа в лаборатории
зачет
зачет
зачет
зачет
Лаборатория
специализации
защита реферата
зачет
•Практика в ФИАН
Лаборатория
специализации
защита курсовой
работы
зачет с оценкой
Лаборатория
специализации
защита курсовой
работы
зачет
10-й семестр
(весенний)
Научнопроизводственная
практика
отчет по
производственной
практике
зачет с оценкой
Основные направления работы






Исследования взаимодействия синхротронного и
лазерного излучения с веществом (рук. В.В. Михайлин)
теоретические исследования релаксации
высокоэнергетических электронных возбуждений в
диэлектриках (рук. А.Н. Васильев)
Исследования по когерентной оптике (рук. П.В.
Короленко)
Исследования по волоконной оптике (рук. О.Е. Наний)
Исследования физических процессов в мощных газовых
лазерах (рук. А.И. Одинцов, А.И. Федосеев)
Исследования по обращению волнового фронта
лазерного излучения (рук. В.И. Одинцов, О.М. Вохник).
Исследования взаимодействия
синхротронного и лазерного излучения с
веществом (рук. В.В. Михайлин)









С использованием синхротронного излучения для исследования вторичных процессов, в
частности люминесценции, возбуждаемых фотонами различных энергий, обнаружены новые
механизмы релаксации энергии в диэлектриках и построена согласованная модель процессов
релаксации энергии за счет электрон-электронных и электрон-фононных процессов (за времена
от 10–15 до 10–8 сек).
Экспериментально обнаружены два типа спектров возбуждения люминесценции в области
фундаментального поглощения и построена двухканальная модель рекомбинации
скоррелированных электронно-дырочных пар.
Обнаружена взаимная корреляция квантового выхода люминесценции в областях за порогом
фундаментального поглощения и за порогом размножения электронных возбуждений, и этот
механизм объяснен образованием низкоэнергетичных скоррелированных возбуждений в процессе
электрон-электронного рассеяния.
Обнаружено сосуществование двух типов электронных возбуждений в кристаллах со сложной
зонной структурой, в частности, два типа экситонов в CeF3 и PbWO4.
Обнаружены отклонения от постоянного энергетического выхода при возбуждении в области
рентгена за счет изменения локальной плотности возбуждений.
Объяснен механизм фотостимулированной люминесценции BaFBr–Eu — эффективного
кристаллофосфора для запоминающих экранов.
В ближайшем будущем предполагается вести исследования, направленные на определение
характеристик обнаруженной люминесценции F-центров и их зависимость от технологии
изготовления образцов.
Исследованы люминесцентные свойства монокристаллов молибдатов лития, кальция и стронция –
перспективных материалов для криогенных фонон-сцинтилляционных детекторов. Объяснена
температурная зависимость особенностей переноса энергии на центры свечения при различных
энергиях возбуждения.
Проведены исследования люминесцентных свойств фосфатов и боратов лютеция и гадолиния,
активированных редкоземельными элементами, которые предполагается использовать в качестве
матричных сцинтилляторов, состоящих из кристаллов субмикронных размеров. Показано, что
наиболее эффективный перенос энергии наблюдается в LuBO3:Tb. Определены величины ширин
запрещенной зоны этих соединений.
Природа быстрой люминесценции PbWO4
Спектры отражения вольфрамата
свинца при разных поляризациях света
(слева) и зависимость разрешенной во
времени люминесценции от
интенсивности возбуждающего света
(внизу)
Совокупный анализ всех данных по свечению и
возбуждению люминесценции вольфрамата свинца
позволил сделать вывод об экситонном характере
быстрой люминесценции PbWO4, используемого в
качестве сцинтиллятора для физики высоких
энергий при больших потоках
Сцинтилляторы для детекторов
в физике высоких энергий
Сверхвысокие энергии, сверхбольшие радиационные нагрузки
Физика сцинтилляторов
Сцинтилляторы с Yb (для регистрации нейтрино)
Люминесценция с переносом заряда в ряде
иттербий-содержащих систем имеет характерные
времена в диапазоне 50 нс и достаточно высокий
выход (при низких температурах)
CTS
CTS*
14000
12000
1
10000
Intensity, arb.un.
Y A G :Y b (2% )
Y A G :Y b (15% )
0,1
8000
2
2
2
F 5/2
2
F 7/2
F5/2 -> F7/2
6000
4000
2
CTS -> F5/2
2000
Y A G :Y b (50% )
0
200
300
400
500
600
C onfiguration C oordinate
1000
, nm
YAG-15%Yb
35000
30000
Y bA G
CT luminescence
IR luminescence
25000
25000
20000
20000
15000
15000
10000
10000
1E-3
0
50
100
150
5000
5000
tim e (ns)
0
0
0
50
100
150
200
Temperature, T
250
300
Intensity, a.u.
30000
0,01
Intensity, a.u.
Intensity (arb.units)
YAG-15% Yb
120 K Ex. 5.39 eV
2
CTS -> F7/2
Кристаллы ZnMoO4 для криогенных
сцинтилляционных детекторов
Eg = 4.3 eV
30
20
15
2p O - 4d Mo
3d Zn - CB
25
Excitation spectra:
1. T = 10 K
2. T = 110 K
3. T = 150 K
20
T = 110 K
15
T = 150 K
10
10
T = 10 K
5
5
0
Intensity, a.u.
PDOS, (states/eV) per unit
25
30
PDOS:
Zinc
Molybdenum
Oxygen
•Структура спектров
возбуждения люминесценции
зависит от плотности
электронных состояний
энергетических зон.
•Температурная зависимость
спектров возбуждения связана с
процессом внутрицентрового
тушения (T>110K) и наличием
конкурирующего канала
релаксации энергии (T < 110 K).
0
-4
-2
0
4
6
8
10
12
Photon energy, eV
ZnMoO4
Absorption coefficient in wide photon energy range and different
processes studied using synchrotron radiation excitation of
luminescence
Релаксация энергии
возбуждения
Exciton
Urbach
absorption
Core
exciton
Electron-core
hole pair
Excited
defect
Lattice
vibrations
Ionized defect
+ electron
Dynamics of electronic relaxation in wide bandgap solids
100 as 1 fs
1 ps
CONDUCTION BAND
Modification of solid:
e
e
h
2Eg
Electron energy
e
1 ns
Atomic displacement
Multi-ionisation
desorption, localisation,
defect creation
e
e
e–e scattering
threshold
ph
Energy transfer
Photon emission
h lum
Eg
h ex
0
VALENCE BAND
ph
Auger threshold
e
h
Hole energy
Ev
h  Vk + ph
h
h
h
h
CORE BAND
10–16 s
10–14 s
10–12 s
10–10 s
10–8 s
time
Electron-hole
pair
Релаксация электронных возбуждений в твердом теле
Для анализа всех процессов требуются
ЗОНА
исследования в диапазоне времен
отПРОВОДИМОСТИ
фемтосекунд
до миллисекунд при возбуждении фотонами от
единиц эВ до сотен кэВ
Неупругое электронэлектронное рассеяние
e
e
e
h
Термализация
электронов
2Eg
e
Порог рассеяния
e–e
e
ph
Захват электронов и
дырок различными
ловушками, их
автолокализация
e + c+  c0 + ph
Eg
Взаимодействие
возбуждений
с* + c *  с + c*
0
Ev
Излучение
с*
 с + h
ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА
e
Порог Ожепроцесса
h
Ec
Ec +Ec
10–16 сек
h  Vk + ph
ph
Оже-процессы и перепоглощение
рентгеновской флюоресценции
h
h
Термализация дырок
h
h
10–14 сек
ОСТОВНАЯ ЗОНА
10–12 сек
10–10 сек
10–8 сек
t
Группа теоретического исследования
релаксации высокоэнергетических
электронных возбуждений в диэлектриках
(А.Н. Васильев)
Построена
теория, объясняющая
непропорциональность выхода
сцинтилляторов и связывающая
неоднородное распределение
электронных возбуждений в треке
ионизирующей частицы с
нелинейностью люминесценции
кристалла. Построены модели,
описывающие кинетику электронных
возбуждений при создании областей с
высокой локальной плотностью
возбуждений в треках ионизирующих
частиц и при взаимодействии
интенсивного фемтосекундного
лазерного излучения с кристаллами.
Объяснено рекордное значение
сцинтилляционного выхода кристаллов
LuI3:Ce3+


γ
β
~70%
B
npX
holes
STHs
A
(1) Ionization by fast
electrons, e-e
inelastic scattering,
Auger cascade
~90%
~20%
4fLu
holes
LuI3
only
~10%
free
excitons
STEs
electrons
(3) Thermalization,
formation of
track structure
(2) Auger decay of
4fLu hole in LuI3, its
thermalization in
LuCl/Br3 and
(4) Density-dependent
STH+e→STE reaction
S
(5) Density-dependent
STE-STE quenching;
Thermal STE quenching;
STE quenching on
defects
C,D
Ce4+
(9) Capture
by defects
excited
Ce3+
(8) Sequential capture
STH+Ce3+→ Ce4+
Ce4++e → excited Ce3+
(6) STE
emission
Q
(7) Energy transfer
from STE to Ce3+
E
(9) Capture
by defects
(10) Non-radiative
quenching in Ce3+
(11) Cerium
emission
Reabsorption
Показано, что для керамик YAG-Yb, полученных спеканием нанокристаллов в вакууме, оптические и
люминесцентные характеристики соответствуют таковым для монокристаллов аналогичного состава,
часто превосходя последние по выходу люминесценции, что позволяет говорить об их перспективности
для использования в качестве сцинтилляторов. Теоретически исследована роль рассеяния в
формировании спектров люминесценции керамик из нанокристаллов.
С использованием метода встроенных кластеров проведены ab initio расчеты геометрии и электронной
структуры основного и возбужденного состояний комплексов (YbO6)3- в полуторных оксидах Y2O3 и
Lu2O3, и получено хорошее соответствие положения полос люминесценции и поглощения, времени
жизни, стоксова сдвига с экспериментальными данными.
Группа оптики когерентного излучения
(профессор П.В. Короленко)
Основные направления научных исследований:
 Фрактальные характеристики и спектры сингулярностей
флуктуаций лазерных пучков.
 Самоподобные структуры в оптике.
Некоторые результаты:
 Экспериментально определены условия формирования
фрактальной структуры флуктуаций излучения,
распространяющегося в турбулентной среде.
 Установлено структурное соответствие между симметрией
самоподобия апериодических оптических элементов и
скейлинговыми характеристиками прошедших их световых
волн.
 Дана оценка качества широкодиапазонного отражения от
апериодических многослойных систем на основе
наноструктурированных материалов.
Иллюстрация широкодиапазонного отражения от многослойных
структур Фибоначчи
Распределение коэффициента отражения МС по частотам излучения
и углам падения (s-поляризация). а – 3D распределение; б – 2D
распределение (светлые зоны соответствуют большим
значениям коэффициента отражения); в – распределение
отражения вдоль левой штрих-пунктирной линии; г распределение отражения вдоль правой линии.
Группа волоконной оптики
(профессор О.Е. Наний)







Научная работа в группе проводилась по двум темам:
Физические проблемы волоконно-оптической связи и Физика
твердотельных и полупроводниковых источников излучения.
Получение новейших данных о взаимосвязи акустических
характеристик волоконных световодов с порогом ВРМБ и
спектром ВРМБ-усиления
Разработка новых методов управления амплитудно-временными
и спектральными характеристиками волоконных и
полупроводниковых лазеров и создание на их основе оптических
сигнал-генераторов.
Разработка новых форматов модуляции для систем волоконнооптической связи, обладающих высокой стойкостью к действию
нелинейных эффектов и дисперсии, и новых типов передатчиков
на их основе.
Предложен новый формат модуляции информации в волоконнооптических линиях связи
Предложен новый способ модуляции излучения мощного
иттербиевого волоконного лазера с двойной оболочкой
Проведены теоретические и экспериментальные исследования
методов управления динамикой поляризации излучения
Физические проблемы волоконно-оптических
линий связи
Задача
практикума
«Волоконнооптический
лазер»
Группа по исследованию физических процессов
в мощных газовых лазерах
( А.И. Одинцов, А.И. Федосеев)




Продолжены исследования автоколебательных явлений в
лазерах с движущейся средой, к которым относятся
быстропроточные газовые лазеры большой мощности.
Рассмотрены новые типы оптических резонаторных систем, в том
числе многопучковые системы.
Обнаружены новые типы автоколебательной неустойчивости
генерации и исследованы механизмы их развития.
Предложены методы управления динамическими режимами
генерации лазеров, основанные на использовании явлений
автоколебательной неустойчивости.
Группа по исследованию обращения волнового
фронта лазерного излучения (рук. В.И.
Одинцов, О.М. Вохник).










Исследование характеристик диспергированных световых пучков для создания
эффективных схем четырехволнового взаимодействия и когерентного
обращения волнового фронта.
1.Теоретически исследуются статистические характеристики пространственных флуктуаций интенсивности
диспергированных лазерных пучков.
Результаты:
1)Определена плотность распределения вероятностей интенсивности и изучена ее трансформация при
изменении продольной координаты.
2)Показано, что при удалении от начальной плоскости, в которой пространственно-неоднородное
широкополосное поле принимается пространственно-когерентным, происходит уменьшение флуктуаций
интенсивности и падение контраста спекл-структуры пучка. Уменьшение флуктуаций сопровождается
возрастанием размеров спеклов в направлении дисперсии, а также вдоль оси пучка
2.Теоретически изучена геометрия среднестатистических спеклов интенсивности широкополосного
диспергированного лазерного пучка.
Результаты:
1)Методом численного моделирования получены двумерные распределения случайной интенсивности,
дающие наглядную картину трансформации спекл-структуры при распространении лазерного пучка.
2)Проведен расчет корреляционных функций и спектров мощности случайной интенсивности,
позволивший определить характерные размеры и формы спеклов в зависимости от продольной
координаты, ширины и формы частотного спектра, а также степени дисперсии светового пучка
3)Получены аналитические выражения, определяющие возрастание размеров спеклов в продольном
направлении и в направлении дисперсии пучка по мере удаления от начальной плоскости. Рассчитана
предельная ширина спеклов в направлении дисперсии пучка.
Премии и гранты






Премия президента в области образования (2005
г.)
Премия им. С.Н. Вернова (2010 г.)
Дипломы студентов на конференции
«Ломоносов 2010»
Гранты РФФИ, ИНТАС, DFG и др.
Грант ФЦПК «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России» (2010 г.)
В течение последних 15 лет на кафедре
базировалось Ведущая научная школа России по
«Взаимодействию синхротронного и лазерного
излучения с веществом».
Научные связи кафедры
CMS CERN
Швейцария
HASYLAB DESY
Hamburg
Германия
Отдел физических
проблем квантовой
электроники
НИИЯФ МГУ
CLS
Saskatchewan
Канада
SRS Daresbury
Великобритания
SuperACO DCI
Orsay Франция
CELIA
Bordeaux Франция
Кафедра оптики и
спектроскопии
физического
факультета МГУ
ИПЛИТ РАН
Шатура
ИЯФ СО РАН
Новосибирск
ТРИНИТИ
Троицк
Курчатовский
источник СИ РНЦ
«Курчатовский
институт»
Физический
институт РАН
Институт общей
физики РАН
Институт физики
твердого тела
РАН
Черноголовка
Институт
спектроскопии РАН
Троицк
Работа на каналах синхротронного
излучения на DESY (Гамбург)
Каналы СИ в РНЦ Курчатовский институт
Станция для исследования
люминесценции при
рентгеновском возбуждении
Станция
ВУФ-спектроскопии
Планы






Планируется подготовка новых спецкурсов, в частности, по
применению синхротронного излучения в спектроскопии, по
применению лазеров в медицине, геометрической оптике, по
рентгеновской и прикладной компьютерной оптике.
Модернизировать спецпрактикум кафедры и создать новые задачи
Есть планы по проведению семинара по ВУФ-спектроскопии и
школы-семинара по синхротронным исследованиям. Кафедрой уже
проведено несколько крупных национальных и международных
конференций по ВУФ-спектроскопии, синхротронному излучению,
сцинтилляторам и др.
Планируется возобновление деятельности лаборатории
многослойных покрытий, принесшей в свое время славу кафедре.
Расширить лабораторию ВУФ-спектроскопии с использованием
оборудования, переданного с кафедры квантовой электроники.
Перспективы развития кафедры основываются на активном
привлечении молодежи к научным исследованиям и
преподаванию.
Спасибо за внимание