ІАіЕ - news160907-Аполонскій-Новий тип лазерів

07.09.2016

Квантові технології, сучасна оптика, вивчення лазерів вже багато років є предметом досліджень викладачів і студентів НГУ . Частина цих досліджень ведеться у співпраці з провідними світовими дослідницькими центрами. Про деякі перспективні напрями розповідає співробітник одного з таких центрів, випускник НГУ Олександр Аполонскій.

Хоча з моменту створення першого лазера пройшло більше півстоліття, ще й досі з'являються нові типи лазерів. Іноді новизна полягає в заміні старих компонент новими, що володіють кращими властивостями, а іноді - в використанні нових принципів дії. Саме таким є розроблений нами волоконний лазер, заснований на генерації нелінійно пов'язаних дисипативних солітонів. Він був вперше продемонстрований нашої міжнародною групою в 2013 р в рамках спільного проекту, що формує частину програми Міністерства освіти та науки РФ «Кадри». У ньому я виступав в якості зарубіжного вченого, що представляє Мюнхенський університет Людвіга-Максиміліана та Інститут квантової оптики суспільства Макса Планка. Робота на різних її етапах була висвітлена в декількох публікаціях, в тому числі в журналі Nature Communications (2014 г.).

Лазер, названий «ДС / РДС лазером», заснований на досить складній концепції, про що свідчить хоча б те, що до цього дня інші дослідницькі групи не змогли повторити наші результати. Не вдаючись в технічні деталі, поясню, навіщо знадобилося створення такого лазера. Він поєднує в собі високу енергію імпульсів і широкий спектр випромінювання - раніше недосяжне поєднання критичних лазерних параметрів. Висока енергія імпульсів необхідна для реалізації нелінійних оптичних експериментів, наприклад, для перетворення випромінювання в нові спектральні діапазони. Чим вище енергія імпульсів, тим ефективніше будуть генеруватися нові спектральні компоненти. Створений нами лазер дозволяє не тільки значно збільшити енергію імпульсу (для цього існують й інші шляхи), а й розширити його спектр.

Якщо об'єднати всі згенеровані в нашому лазері імпульси різних кольорів, то вони будуть виглядати на шкалі частот як «гребінка» рівновіддалених піків з ширинами, порівнянними з відстанями між ними. Якби вдалося заповнити «дірки» між піками, то вийшов суцільний сумарний спектр в ідеалі дав би короткий (десятки фемтосекунд) світловий імпульс високої енергії. Це частина нового проекту, який ми намітили в рамках п'ятої хвилі програми мегагрантов. Вона не менш складна, ніж перша частина виконаної роботи, - власне створення ДС / РДС лазера. В даний час відбувається міжнародна оцінка цього нового проекту, результати очікуються у вересні-листопаді 2016 р

Робота по ДС / РДС лазеру виявилася успішною через наявність як необхідних компетенцій, так і активних дослідницьких груп в новосибірському Академмістечку: потужної лабораторії волоконних лазерів під керівництвом С. А. Бабіна в Інституті автоматики і електрометрії СО РАН (Він і очолює цей проект в цілому) і ефективної групи Інституту обчислювальних технологій СО РАН під керівництвом ректора НГУ М. П. Федорука .

Маючи такий унікальний лазерний інструмент, ми запланували кілька нових проектів. Один з напрямків - перехід на довжини хвиль, що використовуються в телекомунікаціях. Перші теоретичні дослідження показують можливість реалізації такої модифікації ДС / РДС лазера, зараз справа за експериментом. Розширення спектру за рахунок використання такого лазера дозволить збільшити кількість каналів передачі даних. Цей проект фінансується за рахунок гранту, виділеного в рамках федеральної цільової програми. Очолюють проект ректор НГУ М. П. Федорук і керівник міжнародного центру фотоніки НГУ С. К. Туріцин.

Багато обіцяє розроблений нами лазер для медичної спектроскопії. У взаємодії з новосибірськими медиками та біологами ми плануємо розвиток малоінвазивної медичної діагностики, націленої на надійне виявлення максимально ранній стадії захворювань. В даний час такої універсальної діагностики не існує. Такими можуть стати оптично-орієнтована діагностика біологічних проб (крові, дихання). Над її реалізацією працюють кілька дослідницьких груп в різних країнах. До речі, вже пару років я активно беру участь в такій діяльності в Німеччині (правда, в усіченому варіанті, з упором на онкологію). Я чув про успіхи в цій галузі і новосибірських дослідних груп, але не знаю їх досягнень.

Гідність оптичної спектроскопії в порівнянні з застосовується зараз мас-спектрометрією - можливість швидкого і глобального (т. Е. Сумарного) порівняння спектрів поглинання біопроб досліджуваних груп пацієнтів з контрольними групами. Основна технічна проблема такої діагностики в даний час полягає в відсутності широкосмугових лазерів середнього інфрачервоного діапазону. А все біопроб дуже сильно поглинають випромінювання якраз в цьому діапазоні. Через відсутність лазерів доводиться будувати спеціальні схеми для перетворення наявного випромінювання в цю область спектра. Такі схеми малоефективні, і тому, для того щоб отримати на виході впевнено детектується сигнал, вимагають на вході значної енергії інфрачервоного лазера. Ми таку схему недавно реалізували в Німеччині за допомогою дискового иттербиевой лазера і нелінійного кристала, і в даний час тестуємо світлову чутливість і динамічний діапазон спектрометра з цими елементами. Про складність виконаної роботи свідчить публікація обох її частин (одна щодо інфрачервоного лазера, а інша - про переклад його випромінювання в середній інфрачервоний діапазон і побудова чутливого спектрометра на його основі) в журналах сімейства Nature.

У проекті, запланованому спільно з новосибірським Академмістечком, ми хочемо замість дискового використовувати ДС / РДС лазер, оскільки дискова технологія необхідного рівня в даний час розроблена лише однією фірмою Німеччини. Тому пропонований волоконний варіант лазерного джерела можна розглядати як приклад імпортозаміщення. Більш того, просунутий варіант ДС / РДС лазера з додатковими компонентами дозволяє отримати дуже широкий безперервний спектр і тому виглядає дуже перспективним. Хочу зауважити, що і в німецькому, і в новосибірському проектах використовується нелінійний кристал, вирощений в технологічному бюро «СКТБ Монокристал» (новосибірський Академмістечко). У світі немає інших місць, де такий кристал можуть виростити. Ростова група під керівництвом Л. І. Ісаєнко надає технологічну підтримку згаданого вище проекту.

Потрібно сказати, що вже десятки років успішно розвиваються спектрометри середнього інфрачервоного діапазону, засновані на нелазерних (термічному) джерелі випромінювання. Такі спектрометри, звані «Фур'є-спектрометрами», за останні 40 років були доведені до надзвичайно високого рівня, який ми, навіть маючи лазерний джерело, за деякими параметрами до сих пір не можемо перевершити. Використовуючи такий спектрометр, ми вже рік працюємо в галузі медичної спектроскопії, розробляючи протоколи взяття, дослідження і зберігання біопроб, а також статистичний аналіз отриманих спектроскопических даних.

Все напрацьоване знадобиться нам при введенні в дію лазерного спектрометра. Згідно літературі, досягнута специфічність і чутливість діагностики за допомогою Фур'є-спектрометрів для ряду захворювань вже досягає рівня 90%, що може стати достатньою підставою для медиків розглядати цей метод діагностики як додатковий до наявних. Зауважимо також, що для більшості видів онкології існуючі діагностики in vitro (в основному на основі гістологічного дослідження тканин після біопсії) не дають чутливості і специфічності вище 95%. У німецькому проекті, аналізуючи кров пацієнтів, ми досягли чутливості 90% і специфічності 99% для раку легенів (правда, на не дуже великий статистикою: сотня пацієнтів і п'ятдесят чоловік в контрольній групі). Відмінності різних стадій захворювання поки менш надійні. З точки зору пацієнта аналіз крові набагато краще біопсії.

Наявність дуже широкого безперервного спектра середнього інфрачервоного діапазону дозволяє здійснювати бліжнепольную мікроскопію біологічних об'єктів з просторовим дозволом в десятки нанометрів. Уже зараз такий підхід дозволяє досліджувати in vitro структуру кісток у хворих, які страждають на остеопороз, або зубів. Наприклад, виявлено, що зуби пронизані каналами незрозумілого призначення розміром менше мікрона.

Нелінійна (лазерна) оптична мікроскопія дозволяє визначати просторові характеристики біологічних об'єктів c дозволом в мікрометри (що досить для візуалізації клітин), причому не тільки in vitro, але і in vivo. Як правило, цей вид мікроскопії вимагає маркерів, що потрапляють в пухлини і флюоресцирующих в певному діапазоні спектра, детектіруемих в експерименті. Наявність широкого інфрачервоного спектра лазера дозволяє використовувати великий набір маркерів і оптимізувати при цьому пропускання тканин, також залежне від довжини хвилі. Розроблений нами ДС / РДС лазер має хороші перспективи в обох видах мікроскопії.

«ЕКО» інформ

Згідно з даними Асоціації VDW і консалтингової компанії Optech Consalting (Швейцарія), лазерне технологічне обладнання займає сьогодні 12% світового ринку обробного технологічного обладнання (в вартісному вираженні), причому ця частка досить швидко збільшується. В окремих секторах зарубіжної обробної промисловості лазерні технології займають до 30-35%.

Олександр Аполонскій,
Мюнхенський університет Людвіга-Максиміліана,
Інститут квантової оптики суспільства Макса Планка, Гархинг, Німеччина.

джерела:

Новий тип лазерів: перспективи в телекомунікації, медицині і мікроскопії - Всеросійський економічний журнал ЕКЗ 1 вересня 2016.

Матеріал в форматі pdf