CC BY
74
ИНСТИТУТ
современной оптики
Современная оптика - интегрированная область знаний, технологий и промышленности. Революционный сдвиг в технике и технологиях, который пришелся на 30-80-е гг. прошлого века, характеризуется мощным уровнем развития квантовой механики и электродинамики, лазеров, нелинейной и когерентной оптики, созданием новых оптических технологий, неотъемлемым образом связанных с современным обществом, основанным на информационных технологиях. Именно оптика совместно с микроэлектроникой позволила человечеству связаться в единое целое посредством развития Интернета, который в настоящее время обеспечивает переход к Интернету всего, что использует человек в своей деятельности.
СТАНОВЛЕНИЕ
Началом бурного развития оптики и физики вообще в Беларуси можно считать 1953 г., когда молодые по современным меркам ученые Государственного оптического института (ГОИ) - сорокалетний Борис Иванович Степанов, в то время уже лауреат Государственной премии СССР, и пятидесятилетний Антон Никифорович Севченко, ученик выдающегося физика-оптика академика С.И. Вавилова, защитивший в 1953 г. докторскую диссертацию, были избраны академиками Академии наук БССР и переехали из Ленинграда в Минск. В то время в Беларуси был только один кандидат физико-математических наук -Федор Иванович Федоров, который в 1936 г. защитил диссертацию в Ленинграде под руководством одного
из крупнейших физиков-теоретиков академика В. А. Фока. А.Н. Севченко, Б.И. Степанов совместно с Ф.И. Федоровым организуют сектор физики и математики в Физико-техническом институте АН БССР, на базе которого в январе 1955 г. создается Институт физики и математики. Первым директором становится А.Н. Севченко, заместителем директора - Николай Александрович Борисевич, незадолго до этого вернувшийся из Ленинграда после успешного окончания аспирантуры в ГОИ. В 1957 г. А.Н. Севченко назначается на должность ректора БГУ, а Б.И. Степанов становится директором Института физики и в этой должности работает в течение 28 лет. С созданием Института физики оптического профиля оптика в Беларуси начинает стремительно развиваться. Для подготовки научных кадров сразу организуется две оптические кафедры в БГУ (физической оптики и спектрального анализа). Идет целенаправленный поиск и подготовка талантливых молодых ученых. Активно формируемая тематика исследований относится к самому передовому краю оптической науки - лазерной физике и применению лазерного излучения для многочисленных приложений. Это требует развития глубоких теоретических исследований взаимодействия излучения с разнообразными средами, включая и нелинейную оптику. С открытием лазеров новое развитие получили
и традиционные оптические направления, включая атомно-моле-кулярную спектроскопию и исследования плазмы. Были поставлены первые эксперименты по биологическому влиянию лазерного излучения. К глубине и качеству проводимых исследований предъявляются принципиально высокие требования. Руководителями направлений становятся ученые мирового класса, работы которых, как показало время, позволили возглавляемым ими коллективам и их ученикам выполнять работы самого высокого уровня и тем самым оставаться востребованными и в современной научно-производственной сфере. Прежде всего это Б.И. Степанов и его ученики и коллеги П. А. Апанасе-вич, А. Н. Рубинов, А.С. Рубанов, В.П. Грибковский, А.М. Самсон. Ф.И. Федоров, выполнив в 1950-х гг. ряд пионерных работ в области оптики анизотропных сред, создал базу для известной белорусской школы кристаллооптики - Б.В. Бокуть, А.М. Гончаренко. Н.А. Борисевич и А. Н. Севченко, их ближайшие ученики и коллеги А.П. Войтович, Г.П. Гуринович и К.Н. Соловьев основали научную школу атомной и молекулярной спектроскопии. Академик М.А. Ельяшевич, также приехавший из ГОИ в 1956 г., основал школу в области спектроскопии и физики плазмы, которую активно развили В.С. Бураков, Л.И. Киселевский. При их руководстве создавалась первая аппаратура дистанционного авиа- и космического спектрометрирования природных объектов.
Состав Института растет количественно и качественно. Из 15 сотрудников и аспирантов в 1955 г. к 1970 г. создается мощный коллектив, в котором работает более
700 человек в Минске, около 150 -в Могилевском отделении и почти 500 - в Специальном конструктор-ско-технологическом бюро с опытным производством. Круг решаемых практических задач расширяется вследствие развития в Беларуси оптической промышленности. Первенец этой отрасли - Минский механический завод имени С.И. Вавилова начал свою работу в 1957 г. На его базе в 1971-м было образовано Белорусское оптико-механическое объединение (БелОМО), в рамках которого затем были созданы заводы «Зенит» в Вилейке, «Диапроектор» в Рогачеве, «Свет» в Жлобине. В 1970 г. начал работать завод «Оптик» в Лиде. БелОМО быстро заняло лидирующее положение в оптической отрасли СССР. Уже в 70-е гг. на БелОМО начался серийный выпуск лазерной техники. До этого она изготовлялась только в СКТБ с ОП Института физики. В 1979 г. при ЦКБ «Пеленг» организован Межведомственный конструкторский отдел (ныне научно-производственное предприятие «ЛЭМТ» в составе БелОМО), призванный внедрять результаты научных исследований и разработок в практику. В 1984 г. вступило в строй действующих крупное Минское опытно-промышленное предприятие АН СССР (ныне приборостроительный завод «Оп-трон»), одной из задач которого стало тиражирование лазерных систем и приборов, разрабатываемых в институтах и КБ АН БССР и других организациях СССР. С самого начала научные исследования и разработки в области оптики в Беларуси, как правило, выполнялись по высоким постановлениям, были интегрированы в крупные всесоюзные программы, проводились в тесной
кооперации с научными и производственными организациями Ленинграда, Москвы и других городов страны, хорошо финансировались, в основном по хозяйственным договорам с организациями оборонного комплекса.
Многочисленные ученые, специалисты и государственные деятели, посещавшие Институт физики в тот период, отмечали творческую атмосферу и высокий научный потенциал коллектива. Академик В.А. Амбарцумян, знакомясь с работой учреждения, отмечал, что «причиной быстрого развития Института является направленность и целеустремленность, с которой замечательный советский ученый, академик Б.И. Степанов руководит Институтом, следя за всеми деталями работы и вместе с тем предоставляя своим талантливым сотрудникам широкую возможность проявления инициативы. Этот Институт есть Институт современной оптики. У каждого, кто знакомится с результатами его работы, возникает желание использовать эти результаты...». Лауреаты Нобелевской премии академики Н.Г. Басов и В.Л. Гинзбург пишут в книге почетных посетителей: «Достижения Института велики и охватывают многие области современной оптики. ... Это только начало, и в ближайшее время мы будем свидетелями еще более выдающихся достижений Института». Лауреат Нобелевской премии академик Ж.И. Алферов так отзывается об Институте: «Институт, с которым связано очень много в истории советской физики и в истории науки Ленинграда и Беларуси». Летчик-космонавт, дважды Герой Советского Союза В. В. Коваленок отмечает: «Надеюсь, что современная космонавтика с большой
пользой и перспективой будет использовать результаты исследований Института в своих практических делах по освоению космического пространства».
Институт, как и большинство организаций Академии наук, не просто пережил период, связанный с распадом СССР. Благодаря мерам, предпринятым руководством Республики Беларусь, и высокой активности специалистов, работавших в области оптики, накопленный ранее потенциал в основном удалось сохранить и приспособить к работе в новых условиях. Важнейшую роль здесь сыграли организация в Республике Беларусь государственных научных и научно-технических программ, программ Союзного государства, создание Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований, активное использование грантов международных фондов (ШТАБ, МНТЦ и др.) и расширение научных связей с организациями стран дальнего зарубежья. Способствовало этому и возникновение малых предприятий и фирм по разработкам и производству лазерной техники, таких, например, как «ЛЭМТ», «ЛОТИС-ТИИ», «СО-ЛАР», «СОЛАР ЛС», «СОЛАР-ТИИ», «ЛЮЗАР», «Магия света», «Гологра-фическая индустрия», с которыми у Института сложились деловые отношения.
ТРАДИЦИИ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ
Невозможно в небольшой статье привести все результаты деятельности Института физики, его достижения по развитию оптики в Беларуси. Ниже собраны лишь некоторые примеры, показывающие
результативную связь поколений ученых через развитие созданных в стране научных школ и, в ряде случаев, демонстрирующие эффективную коммерциализацию научных разработок, примеры, содержащие в себе опыт, остающийся актуальным и теперь.
Лазеры и их применение
Крупнейшим событием в области оптики явилось открытие лазеров в 1960 г. и связанное с ними возникновение нелинейной оптики и лазерной спектроскопии. Белорусские физики быстро и эффективно включились в разработку проблем этого важнейшего раздела современной оптики. Уже в 1962 г. В. А. Пилиповичем был запущен первый в Беларуси лазер и начаты экспериментальные исследования в этой области. В течение 2-3 лет лазерная тематика заняла ведущее место в Институте физики АН БССР.
Этому в немалой мере способствовало развитие еще в «долазер-ный» период Б.И. Степановым и его учениками методов и подходов, которые оказались полностью пригодными для расчета энергетических и временных характеристик многих типов лазеров. В частности, в работах по теории поглощения света и люминесценции были получены соотношения, описывающие эти процессы с учетом вынужденного испускания и нелинейной зависимости от мощности падающего излучения, то есть соотношения, лежащие в основе теории лазеров. В 1958 г. А.П. Ивановым было показано, что при высоких освещенностях коэффициент поглощения света сложными молекулами в некоторой области частот может стать отрицательным,
среда из поглощающей может превращаться в усиливающую.
Лазеры на растворах красителей
Одним из самых выдающихся достижений белорусских ученых в области лазерной физики стало предсказание и получение лазерной генерации на растворах красителей.
Идея молодого аспиранта А. Н. Рубинова использовать в качестве активной среды лазера растворы сложных органических соединений (красителей) многими не воспринималась. Но его научный руководитель Б.И. Степанов, несмотря на кажущуюся одиозность этой идеи, ее поддержал. Одиозность заключалась в том, что предлагалось использовать не трех- или четырехуровневую, а двухуровневую схему, не с метастабильным, а с весьма короткоживущим исходным для генерации уровнем, и со спектром излучения не в виде узкой линии, а в виде широкой спектральной полосы. То есть, по сути, все классические требования были заменены на противоположные.
В 1966 г. А.Н. Рубинов вместе с поступившим к тому времени в аспирантуру Института физики В.А. Мостовниковым впервые получили эффект генерации света на красителях экспериментально.
Следует отметить, что успеху этих экспериментов во многом способствовала еще одна новация, введенная авторами, - использование для возбуждения красителей лазерной накачки - излучения других лазеров. Этот тип накачки оказался весьма удобным и впоследствии получил широкое распространение, причем не только в отношении красителей, но и применительно к другим активным средам.
Одновременно с вышеупомянутыми авторами из Института физики и независимо от них эффект генерации света растворами красителей обнаружили П. Сорокин в США и Ф. Шефер в ФРГ. Эти три группы признаны как отечественной, так и зарубежной научной общественностью первооткрывателями лазеров на красителях.
Чрезвычайно интересные свойства лазеров на красителях и богатые возможности их применения привели к тому, что разработкой и изучением этого типа лазерных источников стали заниматься многие исследователи в ряде лабораторий мира. Весьма активно эти работы развивались и в Институте физики. Здесь был развернут целый комплекс исследований, включающий в себя такие направления, как поиск и изучение различных классов красителей, позволяющих полностью перекрыть лазерным излучением всю область спектра от ближнего ультрафиолета до ближней инфракрасной области; детальное изучение механизма генерации при лазерной и при ламповой накачке; разработка различных схем управления спектром лазерного излучения; создание теории лазеров этого типа и др. Наряду с исследовательской работой в Институте была организована конструкторская разработка и изготовление серии приборов на основе лазеров на красителях с различным типом накачки и гибким управлением спектральными характеристиками, предназначенных для широкого применения в спектроскопии и нелинейной оптике.
Следует отметить, что разработка приборных вариантов лазеров на красителях стимулировала развитие тонких оптических
технологий в СКТБ Института физики, таких как многослойные диэлектрические зеркала на различные области спектра, глубокий оптический контакт, высокоточная обработка поверхности, изготовление моноблочных интерферометров Фабри - Перо. Одновременно это стимулировало развитие квалифицированных конструкторских кадров, специализирующихся в области лазерной техники, и в целом позволило повысить экспериментальную вооруженность лабораторий Института.
Институт физики стал признанным лидером и организатором исследований в области лазеров на красителях в масштабах всего Советского Союза. Он организовал и регулярно проводил по этой тематике всесоюзные конференции с международным участием. Для развития работ в области лазеров на красителях в масштабах страны Институту была выделена огромная по тем временам сумма - около двух миллионов рублей. Используя эти возможности, Институт не только укрепил свою экспериментальную базу, но также заказывал российским организациям разработку различных типов красителей, специальных импульсных ламп, необходимых компонентов, регистрирующих и других устройств, что ускорило исследования и разработки данного направления в целом по стране.
За открытие, исследования и разработку лазеров на красителях Б.И. Степанов, А. Н. Рубинов и В.А. Мостовников в 1972 г. были удостоены Государственной премии СССР.
В последующие годы в Институте физики в лаборатории
А.Н. Рубинова был проведен большой комплекс исследований и разработок РОС-лазеров на красителях. Ряд созданных приборов поставлялся для исследовательских целей в другие организации, в том числе за рубеж. Среди них РОС-ла-зер «Гном-2», который был удостоен Золотой медали международной Лейпцигской ярмарки. Особенно «элегантной» разработкой стал го-лографический РОС-лазер, в котором отсутствуют какие-либо дополнительные оптические элементы и который при размерах всего около одного сантиметра обеспечивает эффективную генерацию узкой спектральной линии с перестройкой по спектру и при большой частоте повторения импульсов. Работа отмечена Государственной премией Беларуси за 2000 г.
Большое разнообразие свойств лазеров на красителях открыли новые богатые возможности их применения в исследовательских и практических целях. Так как этот тип лазеров способен генерировать широкий спектр излучения, то это, с одной стороны, позволило создать сверхчувствительный метод абсорбционного анализа на основе вну-трирезонаторной спектроскопии, а с другой - обеспечило возможность получения сверхкоротких импульсов пико- и фемтосекунд-ного диапазона в различных областях спектра, что подняло методы кинетической спектроскопии на качественно новый уровень. Вместе с тем оказалось, что лазеры на красителях способны генерировать и чрезвычайно узкие спектральные линии высокой интенсивности, причем с плавной перестройкой в широком спектральном диапазоне. Это открыло абсолютно уникальные возможности для лазерной
спектроскопии. Например, при использовании метода селективной многоступенчатой оптической ионизации оказалось возможным детектировать сверхмалые количества вещества, вплоть до одиночных атомов, даже если они находятся в смеси других веществ.
Реализованные в лазерах на красителях новые принципы - двухуровневая система, широкий спектр излучения на лазерном переходе, использование лазерной накачки -были затем положены в основу поиска нового типа активных сред на основе кристаллов. В результате позднее был найден ряд кристаллических сред, среди которых особенно эффективным оказался сапфир, активированный титаном. Эти среды, получившие в последние годы широкое распространение, работают по тому же принципу, что и растворы красителей, и во многом именно им обязаны своим появлением.
Общая теория оптических квантовых генераторов и полупроводниковые лазеры
На первом этапе развития лазеров были необходимы инженерные методы расчета их энергетических характеристик. Б.И. Степанову и его ученикам В.П. Грибковскому, А.С. Рубанову и А.М. Самсону удалось решить эту задачу очень быстро. Уже в 1964 г. в «Успехах физических наук» была опубликована статья Б.И. Степанова и В.П. Гриб-ковского, в которой они, используя полученные ими ранее соотношения для теории люминесценции атомарных систем, получили все основные энергетические соотношения и для активного вещества лазера. Этот принцип аналогии был успешно использован ими и далее,
при обобщении полученных соотношений, включая универсальное соотношение Степанова, на полупроводники. В результате проведенной работы в Институте было создано новое направление по физике полупроводниковых лазеров и оптике полупроводников. Научные работники организованной лаборатории оптики полупроводников Института физики детально изучили особенности полупроводниковых лазеров на квантовораз-мерных гетероструктурах, что позволило им создать новые типы полупроводниковых лазеров с оптической и электрической накачкой. По этой теме опубликованы тысячи научных статей, изданы монографии, книги, учебники и пособия, получено около 90 авторских свидетельств и патентов на изобретения, подготовлено и защищено 6 докторских и более 35 кандидатских диссертаций. За цикл работ, включающий 159 публикаций, в том числе монографию «Методы расчета оптических квантовых генераторов» в 1976 г. Б. И. Степанову и его ученикам В.П. Грибковскому, А.С. Рубанову и А.М. Самсону присуждена Государственная премия БССР в области науки. За время существования лаборатории выполнено множество хоздоговоров и контрактов с отечественными и зарубежными научными и производственными организациями. Основными партнерами и заказчиками в Беларуси были МНИИРМ, «ЛЭМТ», ЦКБ «Пеленг», «ИЗОВАК», «СОЛАР ЛС» и др., среди зарубежных потребителей - Россия, Германия, Франция, Швеция, Саудовская Аравия, Индия, Китай, Италия.
Успешное проведение исследований в области полупроводниковых диодных лазеров и создание на их
основе перспективных лазерных систем с диодной накачкой, качественный и количественный рост научных кадров способствовали созданию в Институте физики Центра лазерной техники и технологий. Центр продолжает развивать лазерную тематику, успешно выполняет контракты с белорусскими предприятиями, промышленными и научными организациями США, Германии, Франции, России, Индии, Китая. Возглавляет эту работу Г.И. Рябцев.
Успешно развивают направление, заложенное на заре становления Института физики, в центрах, возглавляемых С.В. Гапонен-ко и Г.П. Яблонским, где проводятся самые передовые исследования в области нанофотоники и полупроводниковых гетероструктур.
Нелинейная оптика
С созданием лазеров становятся важными эффекты, которые при использовании обычных или естественных источников света в силу их малой интенсивности не проявляются. Нелинейно-оптические эффекты делают оптику значительно более богатой по новым проявлениям света при его взаимодействии со средами. В Институте сложилось несколько научных школ этого направления.
Нелинейная кристаллооптика
Опираясь на методы Ф. И. Федорова, предложенные им для решения задач кристаллооптики, был установлен ряд новых закономерностей.
Так, был предсказан и исследован новый тип фазового синхронизма в кристаллах при нелинейно-частотном смешении световых волн различной поляризации, так
называемый синхронизм 2-го типа (Б. В. Бокуть, А. Г. Хаткевич, Н.С. Казак, В.Н. Белый и др.).
Впервые получено мощное плавно перестраиваемое УФ-излучение при нелинейном преобразовании частоты лазеров на красителях, предложен метод фазового согласования и установлены закономерности нелинейного преобразования частоты при смешении в кристалле разнополяризованных гауссовых пучков в условиях векторного синхронизма с совмещенными потоками энергии, установлены особенности удвоения частоты широкополосного лазерного излучения. Выявлены основные особенности явления нелинейной оптической активности, изучено нелинейное пон-деромоторное действие излучения на кристаллы. Результаты получены А.Н. Рубиновым, Н.С. Казаком, Б.В. Бокутем, В.А. Мостовниковым, А.Г. Мащенко, В.Н. Белым, А.Г. Хат-кевичем, А.С. Лугиной, В.А. Баты-ревым, А.Н. Сердюковым.
Проведенные экспериментальные исследования и разработка новых методов преобразования частоты лазерного излучения при
использовании различных механизмов его нелинейного взаимодействия с кристаллами позволили создать богатую гамму лазерных устройств, обеспечивающих чрезвычайно широкий диапазон управления спектральными, временными, пространственными и энергетическими параметрами излучения. Эти работы были отмечены премией Ленинского комсомола Беларуси в 1978 г. (С.А. Батище, В.Н. Белый, Н.С. Казак, В.А. Орло-вич, Н.М. Палтарак, А. Н. Сердюков), Государственной премией СССР в 1984 г. (Б. В. Бокуть) и Государственной премией Республики Беларусь в области науки и техники в 2000 г. (А.А. Афанасьев, В.Н. Белый, Н. С. Казак, В. А. Орлович, Т.Ш. Эфендиев).
Фундаментальные результаты белорусских исследователей составили основу развития современной нелинейной кристаллооптики. Среди результатов, полученных Б.В. Бокутем, Н.С. Казаком и соавторами, -предсказанный нелинейно-оптический эффект генерации переменного электрического поля, реализация метода «нелинейного зеркала» для
управления параметрами излучения сложных лазерных систем, разработка нелинейно-оптических методов измерения параметров лазерного излучения и вещества в УФ-и ИК-диапазонах, метод пассивной абсорбционной спектроскопии, исследование нелинейных фотореф-рактивных кристаллов, построение модифицированных материальных уравнений и граничных условий, корректно описывающих нелинейно-оптические явления в фотореф-рактивных (ФР) кристаллах. На их основе В.Н. Белый и Н.А. Хило установили существование нового типа низкоэнергетических пространственных солитонов в ФР-кристал-лах с дрейфовым механизмом оптической нелинейности.
К важнейшим достижениям в области линейной кристаллооптики следует отнести создание общей феноменологической теории оптических свойств магнитных и поглощающих кристаллов, разработанной Л.М. Томильчиком, С. С. Гиргелем, В.В. Филипповым, кристаллов со спиральной анизотропией - авторов И.В. Семченко, С.В. Хахомова, а также обнаружение
Ф.И. Федоровым и Н.С. Петровым возможности существования в кристаллах неоднородных волн, изучение особенностей распространения поверхностных акустоэлектриче-ских, магнитостатических и маг-нитоупругих волн, выполненное под руководством В.В. Филиппова. Ученые развили теорию дифракции оптического излучения в анизотропных средах, предсказали возможность бездифракционного распространения и безлинзового фокусирования световых пучков вблизи оптических осей гиротропных дву-осных кристаллов, установили закономерности распространения гауссовых и лагерр-гауссовых пучков в условиях конической рефракции. В этой работе принимали участие А.Г. Хаткевич, В.Н. Белый, С.Н. Ку-рилкина, А.М. Гончаренко, Н.А. Хило, А.П. Хапалюк, А.М. Бельский.
Большой вклад был сделан в теорию акустооптического взаимодействия в кристаллах с электроин-дуцированной анизотропией и ги-ротропией, исследовано влияние пьезоэлектрических и фотоупругих свойств кристаллов на фоторефрак-тивный эффект и выходные характеристики голограмм. Результатом фундаментальных работ в области электродинамики заряда в полупроводниковых кристаллах стало создание непротиворечивой теории решеток заряда в полупроводниках, разработаны основы теории электрического управления световыми пучками и созданы управляемые дефлекторы и линзы.
Эти изыскания послужили основой для работ в новом направлении - оптики кристаллических структур и метаматериалов. Одним из наиболее важных достижений в этой сфере стало обоснование возможности существенного
(на порядок) усиления эффекта Фарадея при сохранении низкого уровня оптических потерь в слоисто-периодической среде. Работы выполнены С. Н. Курилкиной, М. В. Шубой. Они были реализованы в новых оптических устройствах, таких как электро- и акусто-оптические дефлекторы, модуляторы и линзы, приборы для формирования азимутально и радиально поляризованных квазибездифрак-ционных бесселевых световых пучков, перспективных в фотолитографии, конфокальной микроскопии и оптической записи-считывании информации; установки для удержания микрочастиц и молекул и управления их движением, транспортировки энергии лазерного излучения в открытом пространстве и полых световодах; различные схемы цилиндрических объектов; плоские линзы, позволяющие достигать разрешения до 30 нм в ближнем поле и до 300 нм в дальнем.
Белорусская школа кристаллооптики заслужила высокую оценку мирового научного сообщества. Заключены крупные контракты на выполнение работ в этом направлении. В планах - дальнейшее развитие оптики сред со сложной анизотропией, в том числе новых перспективных материалов - фотонных кристаллов и метамате-риалов с целью разработки новых устройств нанофотоники.
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР)
Одним из первых нелинейно-оптических эффектов было исследовано явление ВКР. Уже в 1965 г. вышла теоретическая работа П.А. Апа-насевича и Б.И. Степанова по вну-трирезонаторному ВКР. Первые
экспериментальные исследования ВКР в Институте начали проводиться с 1968 г. в лаборатории нелинейной спектроскопии В.А. Орловичем с сотрудниками. В последующем для создания предельно компактных и малотребовательных к техническому обслуживанию лазерных источников, генерирующих в УФ, видимом и инфракрасном диапазонах спектра, потребовалось сосредоточиться на исследованиях эффекта в кристаллах, конкурирующих с ВКР нелинейностях, на разработке методов нелинейно-оптического преобразования частоты ди-одно-накачиваемых лазеров. В ходе этих работ впервые реализована непрерывная ВКР-генерация в кристаллах и получено ВКР-преобра-зование частоты в них на фемто-секундных временных интервалах, достигнут значительный прогресс в разработке принципов генерации безопасного для зрения излучения. Выявлен канал потерь в резонаторах твердотельных лазеров вследствие присутствия примесных редкоземельных ионов, экспериментально продемонстрировано существенное увеличение яркости пучков преобразованного излучения в режиме ВКР-генерации, реализована самосинхронизация мод в ВКР-лазерах, обнаружено резкое снижение порогов нелинейно-оптических эффектов вблизи стоп-зо-ны глобулярных фотонных кристаллов, предложены и исследованы новые лазерные среды. Исследования в этой области проводятся П.А. Апанасевичем, В.А. Орловичем, А.С. Грабчиковым, В. А. Лисинец-ким, Р.В. Чулковым, В.И. Дашкевичем, И.А. Ходасевич, А.И. Водчицем.
В настоящее время работы по ВКР выполняются сотрудниками Центра нелинейной оптики
и активных материалов Института физики. Их научные наработки использованы при создании экспериментальных образцов лазер-но-оптических комплексов, среди них - лазерные комплексы, обеспечивающие генерацию излучения, непрерывно перестраиваемого в спектральной области 0,26-8,1 мкм, узкополосного излучения с длинами волн в пределах 1881800 нм, полностью твердотельная лазерная система, генерирующая на 20 длинах волн в диапазоне 2661600 нм, модульный научно-учебный лазерный комплекс с перестраиваемыми спектральными характеристиками генерации, параметрические генераторы света, различные
типы ВКР-преобразователей лазерного излучения, в том числе имеющие мини- и микрочип-конфигура-ции, источники ультрафиолетового и безопасного для глаз излучения (В.А. Орлович, В.В. Квач, П.А. Апа-насевич, В.И. Дашкевич, Р.В. Чулков, С. Г. Круглик).
Результаты исследований эффекта ВКР, а также разработанный в 1980-х гг. самый мощный в СССР лазер на АИГ: М и оперативно-перестраиваемый в широкой спектральной области узкополосный лазер на красителях послужили основой для освоения выпуска лазерной системы «Спек-трон» на НПП АН СССР в Минске. В последующие десятилетия
на базе разработок Института физики компания «СОЛАР ЛС» начала выпуск твердотельных ПГС и ВКР-преобразователей, а «ЛЭМТ» БелОМО развернуло производство дальномеров и систем дистанционного зондирования с использованием безопасных для глаз лазеров. Лазерно-оптическая продукция, производимая этими предприятиями, востребована на рынках стран ближнего и дальнего зарубежья.
Динамическая голография
Белорусские ученые активно исследовали физические основы динамической голографии. В 1971 г. сотрудники института Б. И. Степанов, Е.В. Ивакин и А.С. Рубанов впервые продемонстрировали эффект обращения волнового фронта (ОВФ) при четырехволновом смешении (ЧВС) в растворах органических красителей. Данное явление открыло новые возможности для решения ряда практических задач, среди которых активная лазерная спектроскопия, получение предельной яркости лазерного излучения за счет компенсации фазовых искажений в двухпроходовых усилителях и самонаведение лазерного излучения на мишень малых размеров. Б.И. Степанов, П.А. Апа-насевич, Е.В. Ивакин, А.С. Рубанов удостоены в 1982 г. Государственной премии СССР.
Лазерное зондирование атмосферы
Активно развиваются исследования рассеяния света в различных средах, начатые еще на заре создания института А.П. Ивановым. Выполнен большой цикл работ по установлению закономерностей рассеяния света в воде, атмосфере, различных искусственных средах.
На их основе созданы эффективные методы и аппаратура определения характеристик атмосферы, водных бассейнов и других объектов, один из таких методов - многоволновое лазерное зондирование. Решен ряд проблем видения, локации и связи через рассеивающие среды.
Теория переноса излучения и видения в светорассеивающих средах развиты в работах Э.П. Зе-ге и И.Л. Кацева. Исследованиями в области распространения излучения в плотноупакованных средах, оптикой биотканей, фотографических материалов и жидких кристаллов занимаются А.П. Иванов и В.А. Лойко. Их фундаментальные наработки определили тематику экспериментальных исследований и создание различных приборов. Впервые предложен и реализован метод экспериментального моделирования при изучении процессов распространения света в мутных средах, что обеспечило значительный экономический эффект при решении многих научных и прикладных задач, поскольку позволило уйти от дорогостоящих натурных опытов. Была создана серия погружных гидрооптических устройств и проведены натурные исследования оптических характеристик воды в морях и океанах.
Разработка аппаратуры и методов дистанционного зондирования атмосферы и формирование на их основе систем регионального мониторинга - главная задача сформированного научно-производственного кластера, в который вошли Институт физики НАН Беларуси, Белорусский государственный университет и ряд конструкторских предприятий республики.
В 1980-х гг. в научных учреждениях Академии наук БССР для
организации в СССР сети дистанционного мониторинга стратосферы были разработаны и изготовлены лидарные станции. Следствием высокого научного и технического уровня изысканий в этой области, осуществляемых под руководством А.П. Чайковского, стало включение Института физики, единственной организации в СНГ, в международную программу по созданию Европейской лидарной сети в рамках проектов 5-7-й Рамочных программ Европейского союза и программы «Горизонт 2020».
В 2004 г. коллективом ученых Беларуси, России и Кыргызстана создана лидарная сеть С1Б-Е1№1, включающая 7 станций для контроля параметров атмосферного аэрозоля и озона в регионах СНГ. Ведущей организацией в этом проекте выступил Институт физики НАН Беларуси.
Созданный при нем Центр оптического дистанционного зондирования занимается проведением фундаментальных и прикладных научных исследований и разработок, обеспечивающих выполнение важных национальных задач в области дистанционного контроля атмосферы и природных объектов на земной поверхности. Здесь создана комплексная лидарная и радиометрическая станция дистанционного зондирования атмосферы, включенная в международные лидарные и радиометрические сети. Она обеспечивает контроль трансграничного переноса загрязнений на территории нашей страны по заданиям Национальной системы мониторинга окружающей среды в Республике Беларусь.
Учеными предложено и развито новое направление дистанционного зондирования атмосферы
и подстилающей поверхности, базирующееся на результатах комплексных дистанционных измерений активными (лазерными) и пассивными (радиометрическими) системами наземного и спутникового базирования. Синергетический эффект от объединения данных комплексных измерений достигается посредством координации измерительных процедур различных систем наблюдения и использования регуляризующих алгоритмов решения обратных задач при обработке данных. Новая методика комплексного лидарного и радиометрического зондирования атмосферного аэрозоля и программное обеспечение для ее реализации внедрены на 11 объединенных станциях Европейской лидарной сети ЕАЯЬШЕТ и международной радиометрической сети АЕЯОМЕТ.
Наработки Центра оптического дистанционного зондирования нашли применение в исследованиях Антарктиды. Впервые на Белорусской научной станции был создан и введен в эксплуатацию многофункциональный аппаратурный комплекс дистанционного мониторинга атмосферы и земной поверхности, включающий многоволновые лидары и солнечные спектрофотометры. Он благополучно прошел испытание на полигоне Антарктиды, где было организовано тестирование метода внешней калибровки оптических каналов мультиспектральной съемочной системы белорусского спутника БКА и российского - Канопус-В.
Квантовая оптика и квантовая информатика
Работы по квантовой электродинамике процессов рассеяния света были выполнены
Б. И. Степановым и П. А. Апана-севичем еще в 1959 г. с целью решения вопроса о классификации вторичного излучения, поставленного еще С.И. Вавиловым. Особого упоминания заслуживает впервые предсказанный в 1963 г. П.А. Апанасевичем эффект расщепления спектра спонтанного испускания двухуровневого атома на три компоненты под воздействием резонансного монохроматического излучения - фундаментальный квантово-оптический эффект. Эти работы составили основу развития квантовой оптики - направления исследований, которое продолжил С.Я. Килин. Им предсказан эффект группировки и антигруппировки разночастотных фотонов при рассеянии света на одном атоме. За пионерную работу «Квантовая теория резонансного рассеяния мощного лазерного излучения» С.Я. Килин был удостоен в 1982 г. Премии Ленинского комсомола Беларуси, а за цикл «Квантовая электродинамика в среде: квантовая и ядерная оптика» отмечен Государственной премией Республики Беларусь в 2002 г. В созданной в 1995 г. лаборатории квантовой оптики были предсказаны новые явления, относящиеся к физике взаимодействия одиночных атомов и фотонов. Среди них - явление одноатомной оптической бистабильности, замораживание спонтанного распада излучателей, неоднородным образом взаимодействующих с фотонами разных частот, генерация сжатых и других неклассических состояний света в многофотонных процессах, обобщенных когерентных состояний одноатомным лазером. Эти работы выполнялись С. Я. Килиным, Т. Б. Карлович,
Д.С. Могилевцевым, Д. Б. Хорош-ко, Т. М. Маевской, В. Н. Шатохи-ным, А.Б. Михалычевым.
В 2001 г. С.Я. Килин, А.П. Низов-цев с сотрудником Штутгартского университета Й. Врахтрупом впервые в мире предложили и обосновали использование МУ-центров в алмазе в качестве перспективных элементов для реализации квантового компьютера. В настоящее время центры окраски в алмазах интенсивно изучаются во всем мире также и для создания различных квантовых сенсоров, в том числе высокочувствительных сенсоров градиентов магнитного поля.
В последние годы стремительное развитие получила квантовая криптография. В 2007 г. в лаборатории квантовой оптики Института физики группой ученых под руководством С.Я. Килина создана первая в СНГ волоконно-оптическая система квантовой криптографии, осуществляющая квантовое распределение ключа на основе квантового кодирования во временные интервалы и позволяющая эффективно распределять ключи на расстояние до 10 км по оптоволокну.
Разработки лаборатории уже нашли применение в такой важной области, как создание высококачественных генераторов случайных чисел (ГСЧ), гарантия качества которых обеспечивается законами квантовой физики. Разработанные и созданные в экспериментальной группе под руководством В.Н. Чижевского генераторы случайных чисел по своим характеристикам занимают лидирующую позицию в этом классе приборов.
На базе лаборатории квантовой оптики в Институте создан Центр квантовой оптики и информатики. Его сотрудники активно
занимаются разработкой теории квантовых измерений, квантовой метрологией, диагностикой и томографией квантовых состояний и процессов, квантовой микроскопией и антеннами, квантовой физикой открытых систем, немарковской коллективной дефази-ровкой и потерями. Возглавляют эти направления ученые С.Я. Килин, Д.С. Могилевцев и А.Б. Ми-халычев. Результаты работы Центра представлены в высокорейтинговых журналах, таких как Nature Communications, Physical Review Letters, Physical Review, Scientific Reports и др. Выполняются проекты программы «Горизонт 2020».
Начиная с 1992 г. регулярно проводятся представительные международные конференции по квантовой оптике и квантовой информатике - ICQOQI. В работе предшествующих конференций, обычно проводимых в Минске, принимали участие ведущие специалисты по квантовым технологиям признанных научных центров - Массачусет-ского технологического института (США), Высшей нормальной школы (Франция), Оксфордского университета (Великобритания), Королевского технологического института (Швеция), Института квантовой оптики им. М. Планка (Германия) и др.
Медицинское применение лазеров
Белорусскими физиками предложены методы и созданы аппараты лазерной терапии для широкого круга заболеваний различного ге-неза, в том числе желтухи новорожденных, глазных болезней. Научные рекомендации, предложенные в Институте физики, использованы в России и Беларуси при разработке и организации серийного
выпуска нескольких типов лазерных медицинских приборов для офтальмологии и лазерной хирургии. В частности, на БелОМО был организован выпуск лазерных медицинских приборов,специализированных для нейро- и офталь-мохирургии (глаукома, транссклеральная фотокоагуляция). Цикл работ «Механизмы развития, методы и средства лечения глаукомы, катаракты, фотоповреждений сетчатки глаза» удостоен Государственной премии Республики Беларусь в области науки и техники за 2000 г. Цикл представлен коллективом авторов, включающих сотрудников Института физики, медицинских работников и представителя БелОМО.
Физиками открыто явление защитной реакции пигментов органов зрения на действие лазерного и рентгеновского излучений. Изготовленные в Институте медицинские приборы успешно применяются в клиниках республики и за ее пределами.
Под руководством Б.М. Джага-рова проводятся исследования в области фотодинамической терапии опухолей. При этом основой фотосенсибилизатора «Фотолон», выпускаемого РУП «Белмедпрепараты» и широко используемого ныне для лечения опухолей различной локализации, является пигмент хлорин е6, инициатором применения которого в таком качестве выступил академик Г.П. Гуринович. Для практической реализации фототерапии опухолей в Институте создан и сертифицирован «ФДТ-ла-зер», с помощью которого пролечены сотни пациентов с различными нозологическими формами злокачественных новообразований.
Благодаря поддержке Б.И. Степанова инициатив В.А. Мостовни-кова, который в 1977 г. получил достоверные данные о влиянии лазерного излучения на функциональную активность клеток человека в культуре и радиозащитном эффекте указанного физического фактора в отношении клеток,
предварительно облученных потоком нейтронов, в республике положено начало новому направлению - изучению фотофизических механизмов, определяющих биологическую активность низкоинтенсивного лазерного излучения. Полученные знания были использованы при разработке аппаратуры для лечения широкого круга заболеваний и ее серийном выпуске. Работы по данной тематике продолжаются в центре «Лазерно-оп-тические технологии для медицины и биологии» Института физики им. Б.И. Степанова.
Практически все клинические учреждения республики оснащены аппаратурой для низкоинтенсивной лазерной терапии, разработанной учеными Института, что позволило решить задачу импорто-замещения фототерапевтического оборудования.
В отечественной аппаратуре реализованы новые подходы, которые направлены на повышение терапевтической эффективности
метода: комбинированное воздействие лазерного излучения различных длин волн; комбинированное действие лазерного излучения и излучения миллиметрового диапазона (КВЧ-терапия); сочетанное действие лазерного излучения и магнитного поля, модуляция излучения по интенсивности и др.
Лазерные фототерапевтические аппараты повышенной эффективности созданы на основе результатов исследований закономерностей взаимодействия лазерного излучения с биологическими системами различного уровня организации. Следует отметить, что в Институте физики НАН Беларуси впервые была выдвинута гипотеза о нерезонансном (нефотохимическом) механизме регуляторного действия лазерного излучения, объясняющем зависимость биологического действия указанного физического фактора от таких лазероспецифи-ческих параметров, как когерентность и поляризация.
Сегодня можно смело утверждать, что фототерапия гипербили-рубинемии новорожденных - один из наиболее ярких примеров эффективного использования оптических технологий в медицине. Аппарат «Малыш», созданный на базе новых источников света - сверхъярких светодиодов сине-зеленой области спектра, не имеет аналогов по эффективности лечения желтухи. Он позволяет примерно в 3 раза сократить продолжительность фототерапии, исключает побочные неблагоприятные эффекты, присущие традиционно используемым ламповым источникам света. Применение аппарата «Малыш» для лечения тяжелых форм гемолитической желтухи в подавляющем большинстве случаев позволяет отказаться
от заменного переливания крови
младенцу - процедуры, в некоторых случаях приводящей к летальному исходу. В медучреждения поставлено свыше 2 тыс. аппаратов, из них более 600 - в Россию.
РЕЗУЛЬТАТЫ МИРОВОГО УРОВНЯ
Белорусскими учеными получен ряд результатов, которые входят в мировые анналы оптической науки.
■ В долазерный период создана теория люминесценции и поглощения, корректно учитывающая проявление в них вынужденного испускания теплового излучения и нелинейности поглощения. Установлено универсальное соотношение спектров поглощения и люминесценции, получившее название универсального соотношения Степанова и удостоенное Золотой медали имени С.И. Вавилова, присуждаемой Президиумом АН СССР (1967 г.)
■ Развита спектроскопия свободных сложных молекул. Детально изучены процессы термолизации колебательного движения возбужденных молекул в парах и явление стабилизации-лабилизации электронно-возбужденных многоатомных молекул, зарегистрированное Н.А. Борисевичем и Б.С. Непорен-том как открытие. Получена лазерная генерация на парах сложных молекул.
■ Создана ковариантная теория электромагнитных волн в анизотропных средах и на их границе, открыто явление бокового смещения светового луча при полном внутреннем отражении, зарегистрированное как открытие «сдвиг Федорова».
■ Детально изучены спектрально-люминесцентные свойства молекул хлорофилла, порфиринов и родственных соединений, установлена роль синглетного кислорода в процессах фотоокисления и фотодеструкции, обнаружено и изучено явление фотовыжигания провалов в спектрах металлопорфиринов.
■ Разработаны методы и созданы комплексы оптической аппаратуры для исследования плазмы в лабораторных и натурных условиях, включая плазму обтекания ракет при их движении в атмосфере и авиакосмическое спектрометрирование природных объектов.
■ Теоретически и экспериментально установлены закономерности накачки и работы ряда типов газовых лазеров (гелий-неоновых, СО2, аргоновых и т.п.). Многие исследования этого направления проводились по заказам организаций, производивших такие лазеры.
■ Разработаны эффективные методы расчета и выполнен систематический анализ зависимости энергетических и временных характеристик лазеров от параметров резонатора, активной среды и накачки; предложены способы повышения эффективности генерации и качества пучка генерируемого излучения.
■ На основе глубокого изучения дифракции инфракрасного излучения в порошкообразных средах разработаны и созданы дифракционные фильтры инфракрасного диапазона.
■ Изучены закономерности распространения гауссовых пучков в анизотропных и многослойных средах, включая оптические волноводы с анизотропным заполнением.
Разработаны технологии получения элементов планарной интегральной оптики.
■ Детально проанализировано действие мощного лазерного излучения на спектрально-оптические характеристики резонансных сред и процессы релаксации. Предсказаны явление расщепления линий спонтанного испускания и поглощения на три компоненты под действием мощного резонансного излучения и явление группировки и антигруппировки фотонов резонансной флуоресценции.
■ Развиты методы нелинейной лазерной спектроскопии, разработаны уникальные спектрометры внутрирезонаторного поглощения, когерентного четырехволнового смешения и фемто- и пикосекунд-ного разрешения.
■ Установлены закономерности лазерной генерации поляризованного излучения и развиты методы поляризационной лазерной спектроскопии.
■ Изучена физика плазмоди-намических процессов, возникающих при воздействии лазерного излучения на поверхность твердых тел, установлен ряд закономерностей лазерно-плазменного воздействия на металлы и композиционные материалы.
■ Разработаны методы и созданы аппараты лазерной терапии широкого круга заболеваний различного генеза, в том числе желтухи новорожденных, глазных болезней; открыто явление защитной реакции пигментов органов зрения на действие лазерного и рентгеновского излучений. Разработанные и изготовленные в Институте медицинские приборы успешно используются в клиниках республики и за ее пределами.
■ Внесен большой вклад в изучение закономерностей работы и создание образцов лазерного гироскопа на основе кольцевого лазера с анизотропным резонатором и активной средой в магнитном поле.
■ Реализовано широкомасштабное внедрение методов атомного и молекулярного спектрального анализа на предприятиях республики. Разработаны новые методы определения свойств углеводов и белков, полимерных материалов, льноволокна и т.п.
***
Таким образом, белорусские ученые и организации внесли большой вклад в развитие современной науки о свете, в оптические технологии и технику. Их достижения отмечены двумя Ленинскими премиями, восьмью Государственными премиями СССР, семью - БССР и девятью - Республики Беларусь, другими государственными и научными наградами. За успехи в развитии физики и подготовку высококвалифицированных кадров Институт физики первым среди организаций АН БССР награжден Орденом Трудового Красного Знамени. Ведущие ученые в области оптики, создатели крупных научных школ, внесших неоценимый вклад в развитие физической науки, академики А.Н. Севченко (1971), Б.И. Степанов (1973), Ф.И. Федоров (1978), Н.А. Борисевич (1978) удостоены звания Героя Социалистического Труда.
И сегодня проводимые в Институте физики имени Б.И. Степанова НАН Беларуси исследования, научно-технические разработки и производство оптической техники соответствуют мировому уровню,
а накопленный потенциал развивается и эффективно работает на благо нашей республики. Институт продолжает оставаться Институтом современной оптики, и круг решаемых им научных и практических задач продолжает расти.
Свет - не только идеальный носитель информации, но и уникальный инструмент для тонкой неин-вазивной диагностики. Он широко применяется в различных областях биологии и медицины, становясь активным элементом не только изучения, но и разнообразного воздействия на биоструктуры. Как промышленный инструмент лазерный свет уже незаменим для раскроя любых материалов, является ключевым при создании аппаратуры для микроэлектронного производства. Все более привлекательными становятся возможности, таящиеся в квантовых особенностях света - его фотонной структуре, которая оценивается как основа новых квантово-информаци-онных приложений, включая создание квантовых компьютеров. Возможности нанофотоники захватывают воображение - от замедления света до использования необычных свойств наноматериа-лов. Исследование полупроводниковых гетероструктур и создание эффективных светодиодов на их основе изменили весь рынок искусственного освещения. Осваиваются возможности терагерцового излучения. Сверхкороткие лазерные импульсы приближают освоение термоядерного синтеза. Этот список можно продолжать. Как это ни странно, несмотря на тысячелетнюю историю освоения света, все это только начало...
Фото Дарьи Пронько
