Предыстория нашей лаборатории началась еще в 1958 году, когда на кафедре радиофизики СВЧ физического факультета МГУ была создана лаборатория квантовой радиофизики под руководством Давида Николаевича Клышко. Кроме решения прагматических задач - создания определенных конструкций мазеров, в лаборатории начала развиваться спектроскопия спиновых состояний. Со временем, когда появились лазеры, научные интересы лаборатории сместились в оптический диапазон. Начались работы по исследованию многофотонных процессов в полупроводниках и диэлектриках и применению этих процессов для изучения экситонных состояний.
В 1966 году на семинаре в Институте физики твердого тела в Черноголовке руководитель лаборатории - Д.Н. Клышко - впервые выступил с докладом о теоретическом предсказании нового нелинейно-оптического и притом сугубо квантового явления - параметрического рассеяния света (ПР). Уже в 1967 году были развиты основы теории этого явления, и вскоре оно было экспериментально зарегистрировано почти одновременно в Московском университете (на кафедре волновых процессов, куда лаборатория перешла в 1965 году) и, независимо, в двух научных центрах в США.
За теоретически предсказание и экспериментальное обнаружение нового вида рассеяния света в 1974 году авторам этой работы - Д.Н. Клышко, В.В. Фадееву и О.Н. Чунаеву был выдан диплом на открытие. На основе этого явления сформировалась новая область лазерной спектроскопии - спектроскопия спонтанного параметрического рассеяния света, а затем и новые области квантовой оптики и фотометрии. В 1983 г. за открытие параметрического рассеяния света и его применения в оптике Д.Н. Клышко, А.Н. Пенин и В.В. Фадеев были удостоены Государственной премии СССР.
С начала с 1970-х годов лаборатория полностью переключилась на изучение эффекта спонтанного параметрического рассеяния света и его возможных применений. Все экспериментальные работы велись под руководством Александра Николаевича Пенина. Первые исследования по спектроскопии ПР показали, что спектры параметрического рассеяния света плавно и непрерывно переходят в спектры рассеяния света на поляритонах, причем основной вклад в интенсивность этого типа рассеяния вносит квадратичная по полю восприимчивость среды, определяющая интенсивность ПР на холостых частотах в области фононных поляритонов. Первоначально велись исследования фононных и поляритонных спектров таких известных нелинейно-оптических кристаллов, как ниобат лития, дигидрофосфат калия, иодат лития, кристаллов иодноватой кислоты и т.д. Были выявлены основные связи частотно-углового спектра рассеяния с оптическими свойствами рассеивающей среды, такими как показатели преломления и поглощения, квадратичная восприимчивость, и с параметрами оптических фононов - частотами (и продольными, и поперечными), силами осциллятора, константами затухания. Оказалось, что в спектрах параметрического рассеяния проявляются дипольно-активные оптические фононы с силой осциллятора до 10 -8 .
Высокая чувствительность спектров рассеяния к изменению параметров среды обеспечила возможность использовать это рассеяние для исследования таких физических процессов, как сегнетоэлектрический фазовый переход (на примере кристалла КDP), процессы изотопического замещения (кристаллы КDP - DКDP), в которых наблюдалась инверсия линий связей OH - OD. Были обнаружены дополнительные линии оптических фононов, связанных с неоднородной объемной структурой.
Исследования ПР в режиме квазисинхронизма стартовали в середине 1980-х, при появлении первых кристаллов с ростовыми доменными структурами, служивших прообразами современных нелинейных фотонных кристаллов. Было показано, что метод частотно-угловых спектров ПР позволяет не только исследовать материал, из которого изготовлены квазисинхронные структуры, но и определять их геометрию – доменные толщины, ориентацию, степень разупорядоченности, спектральные области применения в параметрических преобразователях частоты. В 1990-х годах цикл работ по спектроскопии фононных поляритонов был продолжен исследованиями в области активной поляритонной спектроскопии четырехволнового рассеяния света.
С 1975 года начались исследования статистических свойств поля, рождающегося в процессе ПР, и было показано, что оно представляет собой поток пар коррелированных фотонов - бифотонов. Сейчас это свойство рассеянного поля используется в подавляющем числе экспериментов по квантовой оптике. На этом же свойстве, а также на том факте, что интенсивность ПР определяется величиной эффективной яркости нулевых флуктуаций электромагнитного вакуума, были созданы принципиально новые методы измерения абсолютных значений квантовой эффективности фотоприемников и яркости электромагнитного излучения.
Возможности спонтанного параметрического рассеяния не исчерпаны и до сих пор в плане обнаружения новых явлений. Это связано с большой чувствительностью параметров спектров к составу и однородности рассеивающих сред, а также с чувствительностью статистических свойств поля СПР к временным характеристикам процессов, протекающих в среде. Эти свойства легли в основу спектроскопии флуктуаций интенсивности - корреляционной спектроскопии.
В начале 2000х годов в лаборатории начались исследования параметрического рассеяния света в режиме мощной накачки (так называемая параметрическая сверлюминесценция). При этом поток бифотонов становится таким большим, что следует говорить не о парах коррелированных фотонов, а о ярких «пучках-близнецах», в которых числа фотонов флуктуируют синхронно, коррелированы с высокой точностью. Эти квантовые корреляции сочетаются с большой яркостью, достаточной для реализации нелинейных эффектов (генерация оптических гармоник, многофотонное поглощение). Они представляют собой пример квантовых эффектов, проявляющихся на макроскопическом уровне, и представляют интерес для квантовых технологий.
Параллельно изучению квантовооптических явлений в лаборатории (преимущественно в 1990-х годах) был также поставлен ряд экспериментов, являющихся классическими аналогами квантовых эффектов. Далеко не все явления, которые принято называть квантовыми, на самом деле нуждаются для своего объяснения в квантовой механике – нередко возможно описание эффекта в рамках традиционной классической оптики. Отличие от существенно квантового явления в подобных случаях может быть лишь в величине видности наблюдаемой картины. К таким экспериментам, поставленным в лаборатории, относятся наблюдения корреляции флуктуаций интенсивности разных мод квазиупруго рассеянного света в различных условиях, а также получение так называемого «супергруппированного» света, у которого дисперсия флуктуаций интенсивности света во много раз превышает ее среднее значение.
Еще одно направление исследований лаборатории связано с фоторефрактивными средами, показатель преломления которых медленно изменяется под действием света. Гигантская инерционность таких сред позволяет трактовать процесс постепенного изменения показателя преломления как запись объемной голограммы, однако в рамках тематики кафедры интереснее смотреть на подобные процессы как на нелинейнооптическое взаимодействие световых волн в среде с очень большим временем отклика, и, как следствие, с весьма нетривиальной динамикой, допускающей возможность автоволновых процессов. Помимо возможности записи интерференционной картины в фоторефрактивных средах в лаборатории исследовался ряд неустойчивостей, приводящих к возникновению новых мод в рассеянном свете – т.н. фотоиндуцированное рассеяние света (ФИРС) и параметрическое рассеяние голографического типа (ПРГТ). Последнее представляет особый интерес, так как возникает в направлениях, определяющихся условием четырехволнового фазового синхронизма, сходного с условием фазового синхронизма обыкновенного параметрического рассеяния света (с чем, собственно, и связано название ПРГТ). Впрочем, постепенно выяснилось, что в отличие от оригинального параметрического рассеяния, ПРГТ не требует для своего описания учета квантовой природы света и представляет собой полностью классический, хотя и весьма эффектный нелинейно-оптический эффект. Исследования еще одного типа неустойчивости – конической неустойчивости в поле двух встречных накачек – были начаты в лаборатории совсем недавно (2015-2016г.), так что изучение процессов смешения мод света в кристаллах с фоторефрактивными свойствами продолжается и по сей день.
Начиная с 2004 года, исследования по спектроскопии поляритонного рассеяния все чаще концентрируются в области нижних поляритонных ветвей – той части спектров СПР, в которой частота «холостой» поляритонной волны попадает в терагерцовый диапазон 0.1-10 ТГц. Оказалось, что даже не имея источников и приемников излучения этого пока все еще труднодоступного и малоисследованного диапазона, мы можем судить о спектрах поглощения, показателя преломления и диэлектрической проницаемости рассеивающей среды на терагерцовых частотах. При этом сами нелинейные кристаллы могут в условиях мощной лазерной накачки служить источниками и приемниками терагерцовых волн, а метод СПР позволяет проводить диагностику их функциональных параметров в своеобразном тестовом режиме. Особенно полезным этот метод оказался при характеризации нелинейных фотонных кристаллов с периодическим и апериодическим распределением нелинейной восприимчивости, способных генерировать терагерцовое излучение (ТИ) с любой заранее спроектированной формой спектра. Помимо СПР-характеризации таких кристаллов успешно применялся и метод фемтосекундной терагерцовой pump-probe спектроскопии. В 2009 году на базе исследованных кристаллов начали создаваться нелинейно-оптические источники и приемники ТИ. При этом были развиты новые подходы и в конструировании самих лазерных схем - для генерации методом оптического выпрямления широкополосных наносекундных импульсов, детектирования методом пробно-энергетического электрооптического стробирования коротких импульсов ТИ, и, наконец, детектирования квази-непрерывного ТИ, падающего на кристалл в СПР-установке. Последняя схема наиболее интересна с точки зрения продвижения идей абсолютной квантовой фотометрии и квантовой оптики в терагерцовый диапазон. Отдельным направлением исследований является изучение возможности создания генераторов однофотонных терагерцовых состояний, бифотонных оптико-терагерцовых пар.
Накопленный опыт в области создания лазерных схем генерации и детектирования ТИ не мог не привести к исследованиям в области терагерцовой спектроскопии. Информация о спектрах пропускания, отражения, эмиссии излучения в данном диапазоне чрезвычайно интересна как для изучения многих физических процессов, происходящих в средах, так и для важных практических приложений, например, дистанционной идентификации состава скрытых образцов. Начиная с 2014 -2016 г. в лаборатории методами эмиссионной терагерцовой спектроскопии исследуются слоистые полупроводниковые структуры для фотопроводящих антенн, кристаллические пленки топологических изоляторов. По терагерцовым спектрам пропускания анализируются изменения, происходящие в фононной подсистеме кристаллов при их легировании, сегнетоэлектрическом фазовом переходе, появлении поляронных носителей заряда; предложен метод диагностики состава тонких слоев порошков.