Netiesinės optikos bei spektroskopijos metodų plėtojimas ir naudojimas, lazerių kūrimas ir taikymas

Vykdomais tyrimais siekiama kurti naujas fundamentines ir technologines žinias bei gilinti kompetenciją netiesinės optikos bei spektroskopijos srityje ir gautus rezultatus panaudoti optinių technologijų plėtrai Lietuvoje. Sudėtingos erdvinės-laikinės ir poliarizacinės sandaros impulsinių lazerio pluoštų formavimas, charakterizavimas ir valdymas yra viena iš vyraujančių šiuolaikinės netiesinės optikos krypčių. Tokių impulsų transformacijos netiesiniuose procesuose teoriniai ir eksperimentiniai tyrimai standartiškai vykdomi naudojant paraksialinės optikos artinius homogeninėse terpėse. Labai didelis dėmesys skiriamas nevienalyčių bangolaidinių optinių struktūrų, pradedant nuo mikrostruktūrizuotų fotoninių kristalų ir šviesolaidžių ir baigiant nanostruktūrizuotomis metamedžiagomis su neigiamu lūžio rodikliu formavimui ir tyrimui. Tokios neįprastos struktūros leidžia naujoviškai organizuoti tiesinės ir netiesinės optikos bei lazerių fizikos procesus. Pvz., šviesolaidinis lazeris, kuriame rezonatorius formuojamas Brego gardelių pagalba, o kaupinimo šaltinio spinduliuotė įvedama tiesiogiai sujungiant kaupinantį ir generuojantį šviesolaidžius, yra visiškai monolitinis ir todėl yra labai stabilus ir patvarus. Todėl tolimesniuose darbuose bus tiriami procesai nevienalytėse bangolaidinėse terpėse ir bus vystomas neparaksialinės optikos artėjimas. Efektyvi šviesos impulsų transformacija periodiškai poliarizuotose struktūrose, fotoniniuose kristaluose ir kitose nevienalytėse struktūrose atvers naujas galimybes konstruojant optinius ir spektroskopinius prietaisus, skirtus optiniam informacijos įrašymui, medžiagų lazeriniam apdirbimui ir jų savybių tyrimui. Plonų plėvelių optinių savybių atsako į aplinkos dujų ar skysčių molekulių įtaką supratimas yra aktualus paviršiaus spektroskopijos uždavinys. Tokio atsako registravimas gali būti panaudotas sparčių, selektyvių bekontaktinių sensorių kūrime. Tarp jų bene didžiausiu jautriu pasižymi plazmoninio rezonanso principu veikiantys sensoriai. Jų technologijoms vystyti reikia gerai suprasti ir modeliuoti tiek pačių plazmonų sklidimą ir jų struktūros savybes įvairiose terpėse, tiek ir fizikinius-cheminius procesus plonose (nm storio) sensorinėse plėvelėse.

Atliekamus tyrimus galima sugrupuoti taip:

• Impulsinių lazerio pluoštų formavimas, charakterizavimas ir valdymas.
• Lazerinių ir optinių elementų netiesinių parametrų matavimas.
• Artimo lauko, nevienalyčių bangolaidinių ir difrakcinių struktūrų optika.
• Paviršiaus ir infraraudonoji spektroskopija.
• Nuotoliniai (LIDAR, LIBS irk t.) jutikliai.
• Mega sistemų tyrimas.

IMPULSINIŲ LAZERIO PLUOŠTŲ FORMAVIMAS, CHARAKTERIZAVIMAS IR VALDYMAS. 
Pagrindinis dėmesys yra skiriamas didelio pasikartojimo dažnio trumpų impulsų kietakūnių lazerių generacijos dinamikai. Parodyta, kad kombinuota pasyvioji-aktyvioji rezonatoriaus kokybės moduliacija leidžia paprastu būdu gauti mažą laikinę impulsų sklaidą įprastiniuose tūriniuose lazeriuose. Lazerinis diodinis kaupinimas leidžia realizuoti efektyvią generaciją mikro- ir mini-lazeriuose. Trumpas mini-lazerių rezonatorius ir neigiamas elektrooptinis grįžtamas ryšys leido Nd:YAG arba Nd:YVO₄  mini-lazeriuose generuoti vienos išilginės modos bei geros erdvinės struktūros trumpus (< 1,5 ns) didelio pasikartojimo dažnio (~ 1000Hz) impulsus su maža jų laikine sklaida (<0,2 ns) ir ganėtinai didele energija (> 1 mJ).

Auganti lazerių taikymo įvairovė reikalauja vis naujų lazerio pluošto parametrų. Tuo pačiu atsiranda jų charakterizavimo ir valdymo poreikis. Sukurtos originalios bangos fronto ir bendrojo astigmatizmo lazerio pluoštų sklidimo invariantų matavimo metodikos, atitinkančios tarptautinės standartų organizacijos reikalavimams. Impulsinio pluošto sklidimui per pasyvias ir aktyvias optines sistemas aprašyti pasiūlytas naujas sklidimo invariantas. Jis yra labai patogus pluoštų kokybės kitimo netiesiniuose procesuose tyrimams. Ultratrumpųjų šviesos impulsų charakterizavimui reikalingi tikslūs femtosekundinių šviesos impulsų amplitudės ir fazės ryšio matavimai. Pasiūlyta ir realizuota keletas metodų, nustatančių pavienio ultratrumpo šviesos impulso amplitudės-fazės sąryšį. Sukurtas ir įdiegtas akimirksninio dažnio matuoklis.

Lazerio impulso parametrų valdymas, naudojant priverstines Brijueno ir Ramano sklaidas yra vienas iš efektyviausių metodų, skirtų bangos fronto apgrąžai ir dažnio keitimui bei impulsų spūdai. Kietakūniai lazeriai su pakopine impulsų spūda leidžia labai paprastomis priemonėmis generuoti didelės galios tarpusavyje sinchronizuotus valdomos nano-, subnano ir pikosekundinės trukmės impulsus.

LAZERINIŲ IR OPTINIŲ ELEMENTŲ PARAMETRŲ MATAVIMAS.
Diodais kaupinami kietakūniai lazeriai yra plačiai naudojami laboratorijose bei pramonėje. Išilginis kaupinimas šiuose lazeriuose įgalina labai gerą kaupinimo ir lazerio modų persiklojimą. Tačiau norint pasiekti pakankamą užpildos apgražą reikalingos gana didelės kaupinimo galios, kurios dalis aktyviajame elemente virsta lokalizuota šiluma, o ši savo ruožtu sukelia nepageidaujamus šiluminius pluošto iškraipymus. Šiluminių ir optinių parametrų priklausymas nuo temperatūros dar stipriau komplikuoja situaciją. Todėl didelis dėmesys yra skiriamas termooptinių efektų lazeriuose tyrimui. Tyrimai rodo, kad dėl įtempimų atsiradęs lazerinio kristalo galų išsipūtimas nežymiai įtakoja bendro šiluminio lęšio bei aberacijų stiprumą, bet kompozitinio strypo panaudojimas ženkliai sumažina tempimo įtempimų kaupinimo pluošto įėjimo paviršiumi. Tai veda prie mažesnio šio paviršiaus išsipūtimo ir tvirtesnės lazerio konstrukcijos.

Z-skenavimo metodas labai plačiai paplito, nes tai yra paprastas būdas išmatuoti netiesines optinių medžiagų savybes. Tačiau daugumoje pastarųjų darbų  kreipiamas nepakankamas dėmesys į lazerio impulsų laikinę formą. Todėl atlikta detalesnė skaitinė Z-skenavimo metodo analizė leido eksperimentuose naudoti sudėtingos laikinės formos impulsus, gaunamus naudojant priverstinę impulsų spūdą. Modifikuotas Z-skenavimo metodas leidžia rasti kūbinio jautrio elementus skirtingiems netiesiniams kristalams.

ARTIMO LAUKO, NEVIENALYČIŲ BANGOLAIDINIŲ IR DIFRAKCINIŲ STRUKTŪRŲ OPTIKA.
Vystomi plačiakampiai, neparaksialiniai, dviejų krypčių, pilnai vektoriniai pluošto sklidimo metodai. Išvystytos netiesinės idealiai suderintų sluoksnių ir skaidrios kraštinės sąlygos netiesiniam ir neparaksialiniam pluošto sklidimo metodui antros eilės netiesinėje aplinkoje parametriniai bangų generacijai modeliuoti. Pasiūlytas kompleksinių Padé aproksimantų formavimo metodas, naudojant nulio ir polio poslinkį kompleksinėje plokštumoje, leidžiant pluošto sklidimo metodus taikyti artimo lauko ir nano-optikos modeliavimui. Sukurtas dviejų krypčių pluošto sklidimo metodas, įvedant lokalinės normalės artinį kreiviems atspindintiems paviršiams.

Nagrinėjamas dinaminių holografinių gardelių ir Vudo anomalijų formavimasis ant paviršių ir bangolaidžiuose, žadinantis paviršiniams plazmonams ir bangolaidinės modoms. Pilnai vektorinis pluošto sklidimo metodas taikomas holografiniam ir artimo lauko duomenų užrašymo modeliavimui. Pilnai optinis azo-dažų molekulių ir nanodalelių orientavimas bei manipuliavimas polichromatinės holografijos metodais. Vykdoma subbanginių difrakcinių struktūrų, kuriamų elektrinų pluošto litografijos metodais, sintezė optiniai duomenų ir dokumentų apsaugai.

Nagrinėjamos periodiškai poliarizuotos struktūros, naudojamos kvazifazių derinimui, vykdant antros harmonikos ir parametrinę generaciją. Nagrinėjamas pilnai optinis polimerų su azo-dažais polinimas, įrašant kavzi-fazinę gardelę pirmos ir antros harmonikos bangų polichromatinės holografijos metodu. Pasiūlytas E-O derinamas polimerinis bangolaidinis filtras su modų konverteriais. Tiriamos fotoninių kristalų skaidulos, taikant pilnai vektorinį pluošto sklidimo metodą.

PAVIRŠIAUS IR INFRARAUDONOJI SPEKTROSKOPIJA.
Paviršių ir plonų sluoksnių (iki kelių nm) tyrimams naudojami paviršinių bangų, dinaminių gardelių, paviršinių plazmonų ir įprastiniai optinės spektroskopijos metodai –Furje infraraudonoji, fotoakustinė, elipsometrija. Rezonansiniai metodai, naudojant paviršinius plazmonus yra ypatingai jautrūs skiriamųjų ribų kompleksinės dielektrinės skvarbos bei storio pokyčiams. Paviršinių plazmonų rezonanso reiškinys įgalina nustatyti labia plonų sluoksnių (iki monosluoksnio) optines konstantas. Ši savybė realizuojama sensoriniuose taikymuose kuriant optinius biojutiklius bei dujų jutiklius. Laboratorijos darbuotojai vieni iš pirmųjų pasiūlė plazmoninio rezonanso ir elipsometrijos metodų apjungimą į vieną įrenginį, kas leido žymiai pakelti matavimų jautrį ir patikimumą. Šiuo principu kuriami plazmoninio tipo jutikliai, nauji dielektrinės skvarbos matavimų metodai. Bendradarbiaujant su Biochemijos instituto ir kitomis institucijomis šias metodikas bandoma diegti Alchaimerio ligos pirminių stadijų diagnostikai.

NUOTOLINIAI (LIDAR, LIBS ir kt.) JUTIKLIAI.
Nuotolinių atmosferos teršalų kontrolės prietaisų paklausa pasaulinėje rinkoje yra didžiulė. Ypač sparčiai ji padidėjo per pastaruosius trejetą metų dėl išaugusios terorizmo grėsmės ir su tuo susijusios prevencijos metodų poreikiu. Nuotoliniai metodai čia yra minimi kaip pagrindiniai tarp kitų. Tokių metodų potencialių vartotojų ratas yra labai platus – pradedant mokslinių tyrimų laboratorijomis, aerouostų kontrole (narkotinių medžiagų ar sprogmenų aptikimas) ir baigiant plačiais pramoniniais bei kariniais taikymais (procesų  kontrolė, švarios aplinkos užtikrinimas ir avarijų prevencija, gamtos išteklių paieška). Sukurto lidaro bangos ilgio derinimo ribos yra plačios (siekia nuo 1mm iki 14mm), todėl galima aptikti labai daug medžiagų: CH₄, H₂O, HCl, SF₆, O₃ ir kt. Aptikimo jautris siekia nuo kelių molekulių iš milijono iki kelių molekulių iš milijardo (ppm-ppb koncentracijų sritis). Nanosekundiniam lazerio signalui registruoti naudojami šaldomi labai jautrūs ir spartūs HgCdTe detektoriai. Eksperimentiškai gauti spektrai po to yra lyginami su elektroninėmis spektrų bibliotekomis, taip gaunama kokybinė ir kiekybinė informacija apie molekulių tipus ir koncentraciją. Nuo topografinio objekto grįžtamojo signalo sklidimo trukmė yra naudojama atstumui nustatyti.

LIBS vis labiau populiarėja kaip analitinis metodas, plačiai naudojamas pramonėje ir kituose taikymuose, pvz., kultūrinio paveldo restauravime lazerinėmis technologijomis. Todėl siekiama, kad LIBS technologija paremti prietaisai būtų kompaktiški ir lengvai transportuojami. Sukurti kietakūniai mini-lazeriai gerai tinka tokio tipo LIBS spektrometrams, kadangi jie yra nedidelių matmenų, o generuojamos galios pakanka sukelti fotoabliacija tiriamuose objektuose.

Taikant fotoakustinį metodą lazerio spinduliuotės galia ar bangos ilgis yra moduliuojami garsiniu dažniu. Dėl sužadintų molekulių šilumos išskyrimo į aplinką susižadina to paties dažnio slėgio banga, kuri registruojama jautriu akustiniu mikrofonu. Laboratorijoje sukurtas vidurinės infraraudonos srities lazerinio fotoakustinio spektrometro prototipas, skirtas foninių dujų ir įvairių klasių teršalų koncentracijų nustatymui atmosferoje.

MEGA SISTEMŲ TYRIMAS.
Pagrindinė darbų kryptis - diskinių galaktikų tyrimas. Svarbiausias tikslas - galaktikų diskų sandaros ir evoliucijos bendrųjų dėsningumų atskleidimas. Vis geriau suprasime ir Saulės sistemos aplinkos raidos ypatumus bei jos įtaką gyvybės fenomenui Žemėje. Bendradarbiaujama su Europos, Japonijos ir JAV mokslininkais, dalyvaujama tarptautinėse stebėjimų programose moderniausiais pasaulio teleskopais, atliekami Europos kosmoso agentūros kosminės observatorijos GAIA paruošiamieji darbai.

SIŪLOMOS PASLAUGOS IR PRIETAISAI:

• Kristalų ir optinių elementų atspindžio, pralaidumo bei fazinių charakteristikų
  nustatymas UV-VIS-IR srityje.
• Elipsometriniai matavimai SOPRA GES-5 elipsometru. 
• FTIR atspindžio, ATR bei pralaidumo matavimai Thermo Nicolet 8700 spektrometru. 
• Nuotoliniai atmosferos tyrimai IR lidaro pagalba.
• Akimirksninio dažnio trukmės matuoklis.
• Infraraudonieji sugerties ir pralaidumo matuokliai.
• Lazeriniai projektoriai ir nutraukėjai.
• Puslaidininkiniai, piroelektriniai, bolometriniai detektoriai su registracijos sistemomis.
• Konsultacijos lazerių taikymo klausimais.