CC BY
32
От генерации излучения до фотодинамической терапии
Современными оптическими и оптоэлектронными технологиями обладают не более двух десятков стран. К их числу относится и Беларусь. В нашей республике фотоника рассматривается как одно из приоритетных направлений научно-технической деятельности, и для ее научного обеспечения в 2011 г. принята Госпрограмма научных исследований «Развитие методов и технологий современной оптики и лазерной физики для использования в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, охране окружающей среды, обороне», реализация которой заканчивается в нынешнем году. Один из научных руководителей подпрограммы «Фотоника» академик Валентин ОРЛОВИЧ делится с читателями нашего журнала информацией о том, какие результаты достигнуты за время выполнения ее заданий.
- Валентин Антонович, известно, что оптические методы все более широко задей-ствуются во многих областях. Изучению каких из них уделено внимание в формате реализации ГПНИ?
- Фотоника - это не только новейшая наука и технологии, но и большой сегмент мировой экономики. По прогнозам,
в течение ближайших десяти лет рынок фотоники должен догнать рынок микроэлектроники. В рамках упомянутой программы уделяется должное внимание
разработке оптических, лазер-но-оптических оптоэлектронных методов и технологий для широкого круга применений. Коротко остановлюсь на некоторых примерах. В Институте физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси совместно с БНТУ разработан комплекс физико-технических методов, устройств и приборов терагерцовой спектроскопии и многопараметрического анализа спектроскопических данных для бесконтактной идентификации, диагностики свойств материалов и биологических объектов в электронной, химической, пищевой отраслях промышленности и медицине. В частности создан экспериментальный комплекс «Тераспектрометр», продемонстрированы возможности его использования для изучения характеристик слоистых структур графена, включая исследования на одном атомарном слое, а также кремния.
Современные применения оптики, например, для астрофизических изысканий, требуют изготовления крупногабаритных оптических изделий сложной формы с поверхностями, обработанными с точностью до нескольких атомарных слоев. В Институте тепло- и массо-обмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси близится к завершению разработка технологии и экспериментального оборудования для магнитореологического по-
лирования оптических деталей из ситалла и карбида кремния. Уникальность этого способа состоит не только в получении недостижимого другими методами качества поверхностей, но и в возможности создания полностью автоматизированных систем их обработки. На практике часто требуется бесконтактный неразрушающий и оперативный контроль формы и качества изделий машиностроения и микроэлектроники, чему наилучшим образом соответствуют оптические методы. В этой связи хотелось бы отметить цикл исследований амплитудно-фазового преобразования световых пучков в средах со сложной анизотропией. Показано, что полученные результаты, включая разработанные методы и аппаратные средства, могут быть использованы для определения размерных характеристик, в том числе дефектов, объемных структур и тонких пленок с разрешением менее 10-9 м при производстве наноструктур и контроле качества объектов микро- и оптоэлектро-ники, микросистемной техники. В этом же проекте обнаружен и изучен новый тип световых полей - динамические пучки Эйри, параметры которых можно перестраивать во времени в процессе акустооптической дифракции на стоячих ультразвуковых волнах. Пучки перспективны для управления движением микрочастиц, генерации криволинейных плазменных каналов, нелинейного преобразования частот, субволновой микроскопии.
В рамках проекта, выполняемого совместно учеными Института физики и БГУ, разработан мобильный лазерный спектрометр, созданы экспрессные методы элементного анализа, инфракрасной спектроскопии и люминесцентного зондирования. Этот спектрометр уже частично используется
для исследований содержания жизненно важных микроэлементов в биологических жидкостях, включая кровь, что важно для медицинской диагностики, измерения содержания калия и других элементов образцов, добываемых на ОАО «Беларуськалий», для установления подлинности объектов живописи, анализа строительных материалов на наличие вредных и токсичных веществ, проверки питьевой воды на жесткость и наличие тяжелых металлов.
- Какие тенденции развития нынешней лазерной техники вы могли бы отметить и насколько работа в формате программы соответствовала основным мировым трендам?
- Современная лазерная техника развивается по нескольким ярко выраженным направлениям: создание источников сверхсильных оптических полей, новые оптические, нелинейно-оптические и лазерные материалы, компактные
и энергоэффективные лазеры, в особенности твердотельные. В той или иной степени с учетом масштаба нашей страны все эти направления представлены в нашей программе.
В Институте физики им. Б.И. Степанова разработан и реализован новый подход к созданию фемтосекундных лазеров, сочетающих в себе простоту конструкции, отсутствие жестких требований к условиям эксплуатации, высокую стабильность выходных параметров, приемлемые для многих применений значения выходной энергии и импульсной мощности. В БНТУ продемонстрированы возможности создания лазера на основе кристалла калий-гадолиниевого вольфра-мата с иттербием, генерирующего импульсы с длительностями ~250 фс. Экспериментально продемонстрирован режим
пассивном синхронизации мод в лазере на кристалле Yb : YAlO3. Достигнута средняя мощность выходного излучения в 25 Вт при длительности импульсов 350 фс, показана возможность упрочения импульсов до 100 фс. Эти пионерные результаты сформировали научную основу для разработки новых компактных лазерных систем, генерирующих фемтосекундные импульсы с высокой выходной мощностью.
Среди достижений НПЦ НАН Беларуси по материаловедению - лабораторные технологии выращивания крупногабаритных кристаллов александрита и магниевой шпинели, активированной кобальтом. Полученные кристаллы уже используются отечественной оптической промышленностью. В Институте химии новых материалов создана технология изготовления изотропных и анизотропных фазовых пленок для оптического отображения информации. В Институте физики им. Б.И. Степанова при участии ученых БНТУ и СО РАН впервые получена генерация на 702 нм в кристалле калий-га-долиниевого вольфрамата, активированного ионами европия. В БНТУ и Институте физики при диодной накачке получена мощная - до 1 Вт - генерация в микро-чип-лазере на кристалле Tm : KYW и до 10 Вт - на кристаллах Nd : KGW. Эти результаты позволяют создавать промышленные образцы компактных полностью твердотельных лазерных систем для ближнего инфракрасного и видимого диапазонов спектра.
В Институте физики выполнены исследования и на их основе сделаны экспериментальные образцы лазеров на эрбиевом стекле с поперечной диодной накачкой, генерирующие безопасное для глаз излучение с длиной волны 1,54 мм и энергией импульсов 2 и 8 мДж. С использованием нелинейно-оптического
преобразования излучения Nd : YAG лазеров созданы более мощные лазерные системы для генерации импульсов до 70 мДж и с высокой частотой их следования. Такие лазеры и системы перспективны для дально-метрии, лидарной техники, медицины.
- В последнее время наблюдается интенсивное применение лазерных технологий в медицине. Затронули ли задания программы эту сферу исследований?
- Лазеры уже давно нашли свое место в дерматологии, онкологии, хирургии, офтальмологии как для лечения, так
и для диагностики заболеваний. Их внедрение в практику дает большой социально-экономический эффект. Ученые Института физики НАН Беларуси были одними из первых, кто применил лазер для терапевтических целей. Созданными ими установками оснащены практически все медицинские учреждения республики. В рамках подпрограммы «Фотоника» получен ряд приоритетных научных результатов в области взаимодействия излучения с живыми тканями и организмами. Впервые зарегистрирована фосфоресценция билирубина и измерены ее характеристики. Эти результаты имеют принципиальное значение для понимания механизмов фотолиза билирубина при проведении фототерапии желтухи новорожденных. Разработаны методы неинвазивного определения концентрации эндо- и экзогенных хромофоров ткани, включая фотосенсибилизаторы, и эффективности поглощения ими света в слоях ткани с различной глубиной залегания, что позволяет учесть индивидуальные особенности ткани пациента и выбирать оптимальные для него технологии фотодинамической терапии рака.
Впервые на живых организмах установлен синергизм в биологическом действии постоянного магнитного поля и лазерного излучения, обнаружено влияние магнитного поля на глубину проникновения последнего в ткань. Эти научные данные использованы при разработке магнитотерапии широкого круга заболеваний различного генеза, а также активации характеристик спермы рыб и стимуляции развития эмбрионов и молоди ценных пород рыб. Следует отметить большие перспективы применения лазеров в сельском хозяйстве при лечении заболеваний животных, активации семенного материала и т.д. Пока в нашей стране такие исследования представлены недостаточно широко.
- Известный конек наших физиков - оптические методы диагностики атмосферы, в частности лидарное зондирование. Сказано ли в этом направлении новое слово?
- По этой тематике в рамках подпрограммы «Фотоника» активно работают ученые Института физики, Белгосуни-верситета и НИИ прикладных физических проблем. Предложен и успешно реализуется новый подход к дистанционному зондированию атмосферы
и подстилающей поверхности, включающий наземные и космические средства наблюдения. Создаются устройства с управляемыми оптическими характеристиками для их применения при мониторинге окружающей среды в регионах экологического риска и в исследованиях полярных областей, разрабатываются программы и методики обеспечения повышения точности калибровок оптических приборов и видеоспектральных данных. В качестве примера укажу, что один из созданных в Институте физики лидаров уже работал
в Антарктиде, второй недавно поставлен по контракту в Китай. Получены первые практические результаты в применении нового подхода к исследованиям аэрозоля для станций европейской сети ЕЛЯЫЫЕТ и сети С18-ЫЫе1 в странах СНГ. Программный пакет, реализующий этот подход, в настоящее время применяется в Минске, Томске и на десяти станциях ЕЛЯЫЫЕТ.
- Какие еще достижения исполнителей программы можно отметить?
- В БГУ впервые реализовано динамическое управление поляризацией сингулярных световых пучков на основе схем поляризационной голо-графической записи. Созданы электрически управляемые жидкокристаллические элементы, преобразующие линейно поляризованное излучение в радиальное или азимутальное. Разработанные методы объединяют возможности поляризационной голографии и сингулярной оптики, позволяя создать системы управления микрочастицами,
а также ввести дополнительные степени свободы - поляризационную структуру излучения и топологический заряд светового пучка - для кодирования и обработки информации.
Также в БГУ совместно с учеными НИИ ПФП БГУ проведено исследование структуры и спектроскопических свойств трикарбоцианиновых красителей. При увеличении их концентрации в малополярных растворителях обнаружен рост образования синглетного кислорода. Показано, что он находится преимущественно в форме свободных ионов. На основе этих изысканий разрабатывается фотосенсибилизатор, который был представлен на конкурс инновационных проектов в Санкт-Петербурге и получил диплом первой степени в номи-
нации «Лучший инновационный проект в области наносистем, наноустройств, наноматериалов, нанотехнологий».
В Институте физики НАН Беларуси развит алгоритм расчета радиационных характеристик сложной системы «атмосфера -тающий лед» для полярных регионов. На основании спутниковых спектральных данных высокого пространственного разрешения проведены числовые расчеты альбедо морского льда и доли поверхности льда, покрытой талой водой. Внесен существенный вклад в создание методов и средств метрологического обеспечения лазерной и оптоэлек-тронной техники. Разработаны гибридные наноматериалы на основе фотохромных и полимерных нанокомпозитов. В кристаллах фторида лития обнаружены ранее неизвестные типы собственных радиационных дефектов и на этой основе предложены новые материалы для использования в дозиметрии и в экспериментах на ускорителях.
- В основном вы прошлись по разработкам, имеющим явно прикладной характер
и уже нашедшим себе применение. Есть ли достижения в области фундаментальной науки?
- На самом деле большинство упомянутых результатов базируется на новых идеях и, соответственно, на очень серьезных теоретических и экспериментальных исследованиях. Причем во многих случаях впереди идет теория, которая затем либо подтверждается, либо опровергается специально поставленными экспериментами. Ведь научные гипотезы становятся истиной только после практической верификации. К примеру, в Институте физики создана полуклассическая теория внутрирезонаторного нестационарного вынужденного комбинационного рассеяния
с преобразованием фундамен-
тальной волны в стоксовы и ан-тистоксовы волны нескольких порядков. Показано, что известные в настоящее время полуклассические и феноменологические модели являются частными случаями созданной теории. Эти результаты были использованы для анализа динамики экспериментально исследованного ВКР микрочип-лазера, в котором генерируются мощные импульсы первой стоксовой, первой антистоксовой и второй стоксовой компонент. Получено хорошее соответствие с результатами экспериментальных исследований. Установлены физические механизмы, приводящие к генерации указанных импульсов. После такой экспериментальной проверки стало ясно, что созданная теория может быть применена и для описания других внутрирезона-торных нелинейно-оптических процессов.
В Институте физики НАН Беларуси установлено, что формирование в пленках системы 0е02-Еи203-Аи наночастиц золота ведет к многократному увеличению интенсивности люминесценции ионов Еи3+ при возбуждении излучением 100250 нм. Обнаруженный эффект объясняется совокупным действием двух факторов: радикальным увеличением концентрации дырочных центров немостико-вого кислорода и блокировкой пассивации этих центров атомами водорода, образующимися в результате фотолиза связанных с матрицей ОН-групп. Результаты могут использоваться для создания эффективных детекторов (визуализаторов) космических излучений, стратосферных электрических явлений, коронных разрядов и пламени ракетных двигателей.
Открытию динамических пучков Эйри, о которых я уже упоминал, предшествовали весьма сложные расчеты, за которыми последовали оригинальные
экспериментальные исследования, в которых применялись и лазерное излучение, и акустические волны. Хочу также отметить, что в нашей стране начало развиваться новое направление -создание и изучение так называемых метаматериалов, то есть материалов с отрицательным коэффициентом преломления. В рамках подпрограммы «Фотоника» уже получены первые и весьма успешные результаты.
- Эффективность выполнения программы принято подтверждать статистическими данными о полученных достижениях. Назовите основные
из них.
- В прошлом году по подпрограмме «Фотоника» было опубликовано 719 научных работ. Результаты исследований легли
в основу 1 докторской, 12 кандидатских и 7 магистерских диссертаций. Исполнителями получено 34 охранных документа на объекты промышленной собственности, из которых 13 патентов Российской Федерации и 1 - Германии. Установлены 42 новые закономерности,
56 новых зависимостей, создано
57 новых методов и методик,
31 экспериментальный образец, 11 лабораторных технологий. Выполнялось 114 договоров на разработку научно-технической продукции, суммарный объем по которым составил 3 129,2 млн руб. Не менее впечатляющи итоги и за 1-е полугодие нынешнего года. За этот период появилось 29 новых методов и методик, реализуется 176 договоров на сумму около 11 млрд руб. О значимости и востребованности результатов ГПНИ «Электроника и фотоника» свидетельствует тот факт, что они используются при выполнении 58 заданий государственных научно-технических программ и других работ. СИ
ИринаЕМЕЛЬЯНОВИЧ Фото автора
