CC BY
65
Новейшие разработки в области лазерной техники и оптоэлектронных технологий
Владимир Кабанов,
директор Института физики НАН Беларуси, доктор
физико-математических наук
Одно из главных направлений научных исследований и разработок Института физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси традиционно связано с нелинейной оптикой, лазерной физикой и техникой, оптоэлектронными технологиями. История учреждения богата достижениями мирового уровня в этих областях: открытие бокового смещения светового пучка при полном внутреннем отражении, установление универсального соотношения между спектрами люминесценции и поглощения света, получившее в научной литературе название «соотношение Степанова», предсказание и получение лазерной генерации на растворах красителей, открытие обращения волнового фронта световых пучков при четырехфотонных взаимодействиях и др. Сегодня наряду с научными исследованиями важное место отводится использованию фундаментальных результатов в разработке новых приборов, систем и технологий для решения практически важных задач.
Большое внимание уделяется исследованиям и разработкам нового поколения полностью твердотельных диодно-накачи-ваемых лазеров, которые по сравнению с традиционными излучателями с ламповой накачкой позволяют в разы уменьшить общие габариты, на порядок снизить по-
Роман
Шуляковский,
ученый секретарь Института физики НАН Беларуси, кандидат
физико-математических наук
требление электроэнергии, отказаться от ряда сложных конструктивных решений. Разработаны и подготовлены к выпуску малогабаритные лазеры нового типа, генерирующие в условно безопасном для глаз спектральном диапазоне 1,5-1,6 мкм. С
Типоряд эрбиевых лазеров на 1,54 мкм с энергией 3-8 мДж с частотой следования импульсов 1- 10 Гц
Квантрон, предназначенный для работы с активными элементами диаметром до 7 мм и выходной энергией до 300 мДж
целью модернизации существующих лазерных систем с неэффективными энергозатратными ламповыми блоками накачки в институте разработаны и созданы образцы диодно-накачиваемых квантронов, предназначенные для твердотельных импульсных лазеров с выходной энергией до 200 мДж и выше при частотах следования импульсов до 100 Гц.
Создан ряд безопасных для глаз лазерных источников, основанных на нелинейно-оптическом преобразовании излучения неодимовых лазеров с длиной волны 1,06 мкм посредством параметрических генераторов света (ПГС) на кристаллах КТР. Лазер накачки разработан на основе активного элемента Nd:KGd(WO4)2. Производство активных элементов освоено на ОАО «Завод «Оптик» (Лида) по результатам разработки в рамках ГНТП «Оптотех» (2007 - 2009 гг.). Данный источник используется в составе различных оптоэлектронных систем, создаваемых ОАО «Пеленг».
Разработан безопасный для глаз лазерный источник, в котором кольцевой ПГС, расположенный вне резонатора неодимо-вого лазера накачки, работает в режиме бегущей волны.
Это позволяет получать мощные и в то же время компактные лазерные системы, так как полностью исключает обратную связь между лазером накачки и ПГС. Серийное производство такого источника освоено НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Разрабатываются твердотельные лазерные источники безопасного для глаз излучения с нелинейным преобразованием частоты, обеспечивающие килогерцовую частоту следования импульсов генерации.
Впервые реализована высокостабильная генерация фемтосекундных импульсов
ТЕМА НОМЕРА
в условиях импульсной накачки титан-сапфирового лазера пикосекундным генератором на гранате, что позволяет получить принципиально новый источник мощных фемтосекундных импульсов. Он перспективен для применения в прецизионной хирургии, для изготовления кардиологических микропротезов любой сложности, для прецизионной обработки материалов, осциллографии с субпикосекундным разрешением, контроля элементов микроэлектроники, научных исследований в области нелинейной оптики, фемтосекундной спектроскопии и др.
Разрабатываемые лазерные излучатели находят применение в современных системах мониторинга окружающей среды и земной поверхности, дальнометрии, целеуказания, подсветки и портативных лазерных спектрометрах.
В Институте физики создан макет автоматизированного импульсного те-рагерцового спектрометра, в котором в качестве источника возбуждения используется фемтосекундный лазер. Прибор позволяет «заглянуть внутрь» изделий из различных материалов и биологических объектов, что открывает широкие перспективы использования разработки для неразрушающей дефектоскопии изделий из бетона, керамики, пластмасс и полимеров, для дистанционного обнаружения наркотических, ядовитых и взрывчатых веществ в системах безопасности, в медицинской диагностике.
В последние годы на современной элементной базе разработана уникальная лазерная активно-импульсная система видения, обеспечивающая безопасное вождение транспортных средств в условиях ограниченной прозрачности атмосферы (туман, дождь, снег, пыль и т.д.) в дневное и ночное время суток. Принцип ее работы основан на отсечке рассеянного фонового оптического сигнала методом строби-рования по дальности. Система может устанавливаться на автомобили, карьерную технику, железнодорожный, водный, воздушный транспорт, использоваться для видеонаблюдения. Она позволит избежать возникающих из-за ограниченной видимости замедления темпов работы, увеличения расхода топлива и снижения производительности труда. При этом воз-
Параметрический генератор света на основе лазера (1,57 мкм, энергия в импульсе 50 мДж, частотой следования импульсов до 30 Гц)
Макет фемтосекундной системы
Лазерный источник, выпускаемый НТЦ «ЛЭМТ» по разработке Института физики (1,57 мкм, импульсы с энергией 35 мДж и частотой следования 10 Гц)
Г
Интегральный модуль (слева) и излучатель (справа), обеспечивающие килогерцовую частоту импульсов генерации (1-10 кГц), с энергией импульса 50-100 мкДж
16
НАУКА И ИННОВАЦИИ №8(114) Август 2012
растает безопасность перевозок, что особенно важно для приложений, связанных с воздушным транспортом. Различные варианты системы находятся на разных стадиях разработки - от экспериментальных образцов до эксплуатационных испытаний опытных изделий. Например, создан опытный образец, доработанный по результатам испытаний в особых погодных условиях (низко расположенные облака) рудника «Центральный» (г. Апатиты, Россия). Проведены его предварительные испытания в Минском локомотивном депо. Разработан прототип системы для использования на летательных аппаратах, одно из возможных применений которой связано с посадкой вертолетов в условиях ограниченной видимости. Система может применяться для регистрации дорожной обстановки, позволяет получать информацию о регистрационных номерах автомобилей. В отличие от обычных фото- и видеокамер им не страшно «ослепление» отраженным от номера излучением подсветки.
Разрабатываются мобильные лазерные системы экспрессной экспертизы химического состава любых твердотельных материалов без пробоотбора и физико-химической подготовки при проведении измерений с выездом на место экспертизы, что особенно важно при анализе объектов, не подлежащих транспортировке, при текущем обследовании сооружений и конструкций, экологическом мониторинге в зонах повышенного риска, атрибуции уникальных историко-художе-ственных ценностей с высокой страховой стоимостью.
Стремительное развитие волоконно-оптической элементной базы и, как следствие, появление дешевых оптоэлек-тронных приборов вызвало интенсивное внедрение оптоэлектронных технологий в системы связи и в СВЧ-технику.
Модулированное СВЧ-сигналом оптическое излучение можно передавать по оптическому волокну с чрезвычайно низким коэффициентом затухания (0,2-0,3 дБ/км), что дает большое преимущество такому виду передачи на большие расстояния по сравнению с коаксиальным кабелем (100 дБ/км), применяемым в СВЧ-технике. Для этого в Институте физики
разработаны конструкции и изготовлены экспериментальные образцы волоконно-оптических лазерного и фотодиодного модулей для работы в современных наземных и бортовых системах радиосвязи, радиолокации, радиомониторинга и при-емо-передающих системах космических аппаратов.
Еще одной высокотехнологичной разработкой института являются миниатюрные фотоакустические газоанализаторы на базе полупроводниковых лазеров ближнего и среднего ИК-диапазонов. Преимущества этих устройств: универсальность (применимы к любому химическому соединению), высокая надежность (как «отпечатки пальцев») идентификации газов, высокие чувствительность (от нескольких ррт до 1 ррЬ и выше) и оперативность (около 1 секунды и короче) детектирования, компактность («карманный» вариант) и простота конструкции.
Совместно с учреждениями здравоохранения в Институте физики развиты методы фотодинамической терапии для лечения онкологических и иных заболеваний, разработаны фотосенсибилизаторы хлорин е6 и Фотолон, аппараты «ФДТ-лазер» и «Ромашка», разрешенные к применению в медицинской практике.
В развитие этого направления создан лазерный дозиметр для прецизионного контроля содержания синглетного кислорода в биологических тканях, что открывает перспективы повышения эффективности фотодинамической терапии, включив обратную связь для управления световым режимом разрушения опухолей.
Разрабатывается прибор для экспрессной оптической диагностики раковых опухолей. Он позволяет проводить измерения спектрально-временных характеристик затухания флуоресценции в видимой области длин волн при возбуждении исследуемых образцов ультрафиолетовым излучением и регистрировать спектры диффузно рассеянного света.
Помимо перечисленных достижений необходимо упомянуть высокотехнологичные разработки института прошлых лет: голограммы для защиты ценных бумаг, документов, товаров (выпускаются на Минской печатной фабрике); технологию управления процессом выращива-
Система видения на автомобиле БелАЗ
Прототип мобильного лазерного спектрометра на основе №:УАО лазера с Л=1,06 мкм и энергией импульса 100 мДж
Миниатюрный фотоакустический газоанализатор на базе диодного лазера ближнего ИК диапазона
Лазерный дозиметр синглетного кислорода (минимально детектируемый квантовый выход светимости синглетного кислорода в относительных единицах: 10-9)
Лабоарторный макет прибора для экспрессной оптической диагностики раковых опухолей. Параметры: длина волны возбуждения: 260 и 340 нм, спектральный диапазон регистрации: 400 - 750 нм
ния лазерных кристаллов (внедрена на заводе «Оптик», г. Лида); Национальную систему метрологического обеспечения лазерной техники, созданную совместно с БелГИМ, Национальный эталон единицы длины и др. Пользуются спросом со стороны медицинских учреждений ранее разработанные медицинские приборы, например модифицированный аппарат для ультрафиолетового облучения крови «Гемоквант», приборы для диагностики и лечения желтухи (гипербилирубине-мии) у новорожденных «АНКУБ-Спектр» и «Малыш», приборы низкоинтенсивной лазерной и светодиодной терапии для лечения широкого круга заболеваний «Айболит», «СНАГ», «Экстрасенс». Всего за последние пять лет в Институте физики совместно с медицинскими учреждениями и ПК «Люзар» разработано и создано более десяти типов лазерных и светодиодных аппаратов, внедренных в большинство лечебных организаций республики. Высокий уровень научных исследований и разработок позволяет вести активное международное сотрудничество с Россией и другими странами СНГ, странами Западной и Восточной Европы, заключать выгодные контракты с Китаем, Саудовской Аравией, Индией, ЮАР. Так, совместно с российскими коллегами в рамках программ Союзного государства созданы прототипы лазерно-плазменного двигателя для микроспутников, датчиков потока космической плазмы, рентгеновских сенсоров для космической отрасли. Для дистанционного зондирования загрязнений атмосферы и их трансграничного переноса создана лидарная сеть СНГ, по контракту с Евросоюзом разработан эталонный лидар для Единой европейской лидарной сети. Данные этих сетей передаются в Минприроды Республики Беларусь. Большой вклад в мониторинг экологической обстановки в регионах страны внесли разработанные в институте методы и аппаратура контроля содержания радионуклидов в пище, воде, почве. Все это позволяет Институту физики оставаться известным научным центром, приносящим большую пользу стране своими достижениями в самых разных отраслях. ■
