Мы продолжаем представлять молодых ученых, чья работа в этом году была отмечены премией мэрии Новосибирска. Наш сегодняшний собеседник – старший научный сотрудник отдела лазерной физики и инновационных технологий ФИТ НГУ Алексей Иваненко. А премию ему вручили за исследования по теме «Управляемые волоконные импульсные лазеры для метрологических, биомедицинских и научных целей». 

Иваненко.jpg 
– Алексей Владимирович, прежде всего – что такое волоконные импульсные лазеры и где они используются? 

– Так называют лазеры, для создания которых используется оптическое волокно. Среди таких лазеров можно отдельно выделить лазеры, выполненные полностью из волоконных элементов, или цельноволоконные лазеры. Преимущества и особенности этого типа лазеров в том, что в их конструкции нет объёмных оптомеханических элементов. И, следовательно, они не требуют периодической юстировки и менее подвержены к вибрационным воздействиям. Волоконные импульсные лазерные системы позволяют получать большие пиковые мощности. Такие лазеры нашли широкое применение в самых разных областях: для резки металлов и маркировки продукции, в сварке и микрообработке металлов, для исследования сверхбыстрых реакций, в телекоммуникационных и навигационных системах, таких, как ГЛОНАСС и GPS. В медицине такие лазеры применяются в качестве хирургических инструментов. 

Ещё одной особенность волоконных лазеров является большое разнообразие возможностей конфигурирования резонаторов таких лазеров и получения генерации излучения с требуемыми характеристиками за счёт обширной элементной базы. И этим возможности этого типа лазеров не исчерпываются, по мере совершенствования волоконно оптических элементов, технологии производства оптического волокна и появления новых типов оптических волокон – будут открываться и новые области их применения. 

– Насколько я понимаю, Ваши исследования тоже, в какой-то мере, направлены на это. Расскажите о них подробнее. 

– Если говорить о работе, которая была отмечена премией, то в ней главной задачей была разработка и развитие нового класса волоконных импульсных лазеров, обладающих уникальными характеристиками и расширенным набором управляемых параметров. Важно отметить то, что в этих решениях делается упор на электронное управление параметрами импульсного излучения. Был предложен ряд новых и оригинальных конфигураций лазерных резонаторов, позволяющих электронным образом переключаться между существенно разными режимами импульсной генерации, а также задавать временной профиль импульсов. 

– А для чего это вообще нужно? 

– Есть ряд задач, где требуется большая гибкость оборудования, нужно менять длину волны, форму/тип импульсов или частоту следования импульсов прямо в процессе работы. Например, в биомедицине, где в зависимости от длины волны, мощности, энергии, параметров пучка излучения можно индуцировать разные процессы взаимодействия излучения с клетками, например, сжигать больные клетки и не затрагивать здоровые. Для разных типов клеток могут быть свои оптимальные параметры излучения. Более того, очень часто, изначально правильного ответа на вопрос – какие это должны быть оптимальные параметры – у биомедиков нет. Не маловажным параметром является также время взаимодействия лазерного излучения с исследуемым объектом. Это время взаимодействия определяется как общим временем облучения объекта, так и длительностью и формой оптических импульсов. И если первый параметр легко задаётся практически для любого лазера временем работы лазера, то второй параметр варьировать не так-то и просто, особенно для ультракоротких импульсов длительностью пикосекунды и менее. Управление временным профилем импульса открывает новые перспективы взаимодействия оптического излучения с исследуемыми объектами и возможно приведёт к созданию новых протоколов и стандартов взаимодействия лазерного излучения в биомедицине. Аналогично тому, как сейчас для зажигания пикселя на наших жидкокристаллических мониторах подаётся электрический сигнал сложной формы, а не какой-то простой – прямоугольной, треугольной или гауссовой. 

Однако, управление параметрами генерации волоконных лазеров, генерирующих короткие световые импульсы, является непростой задачей. Параметры импульсного генерируемого излучения определяются сочетанием параметров элементов резонатора и параметрами насыщающегося поглотителя (элемента, который задаёт импульсную генерацию в лазере). Элементы резонатора в цельноволоконных лазерах соединяются между собой посредством сварки, а характеристики насыщающихся поглотителей жестко привязаны к структурным и материальным параметрам поглотителя и не могут быть изменены в процессе генерации лазера. Таким образом, параметры работы лазера задаются на этапе сборки лазера. И потом, чтобы их изменить, нужно фактически разобрать и заново собрать лазер, используя другие элементы. 

Разрабатываемые нами подходы позволят создать лазерные системы, параметры излучения которых (длина волны, мощность, длительность импульсов и другие) могут изменяться в широких пределах при помощи исключительно электронного управления. Разработка таких систем открывает новые перспективы во многих областях науки и техники. 

– Какая из задач, которые Вы решаете в работе с волоконными лазерами, является на сегодня самой сложной? 

– Получение высокоэнергетических и ультракоротких импульсов. Одним из путей повышения энергии импульсов является увеличение средней мощности генерации за счёт увеличения мощности накачки. Однако в волоконных лазерах сложность заключается в заведении такой мощной накачки в резонатор лазера при сохранении цельноволоконной конструкции. Помимо этого с увеличением мощности излучения внутри резонатора в оптическом волокне возникает ряд проблем, которые мешают получению стабильной генерации отдельных кратковременных импульсов. Эта задача, в принципе, до сих пор полностью не решена. Нашей лабораторией был предложен новый подход к решению этой задачи – увеличение длины резонатора лазера и создание сверхдлинных лазеров, у которых длина резонатора составляет километры. Энергия импульса прямо пропорциональна длине резонатора. И при одной и той же средней мощности такой подход позволяет заметно повысить энергию импульсов за счёт увеличения длины резонатора. Но тоже до определённого уровня – пока предел на уровне десятка микроджоулей. 

– И снова вопрос, где это применимо с практической точки зрения? 

– Направлений много. Начиная от лидаров (устройств получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах) и систем целеуказания, и заканчивая оборудованием для резки, сварки и нанесения маркировки на различные материалы. Обычно эти системы строят по принципу – лазер и к нему несколько усилителей. И чем мощнее будет изначальный импульс, тем меньше потребуется усилителей. А это – улучшение ряда эргономических параметров устройства. Потому что каждый усилитель вносит свои шумы и ухудшает качество пучка. 

– Над чем Вы с коллегами работаете в настоящее время? 

– В данный момент продолжаем работать над исследованием новых подходов получения генерации ультракоротких импульсов в волоконных лазерах с электронно-управляемыми параметрами излучения. В частности, исследуем возможности управления временным профилем в волоконных лазерах с полупроводниковыми активными средами, совместно с коллегами из Сколково исследуем новые типы электронно-управляемых насыщающихся поглотителей, которые задают импульсную генерацию в лазере, совершенствуем сверхдлинные импульсные лазеры с целью увеличения энергии импульсов. 

Сергей Исаев 

Источники

Управлять лазером
Академгородок (academcity.org), 17/08/2020
Управлять лазером
Seldon.News (news.myseldon.com), 17/08/2020

Похожие новости

  • 26/09/2019

    Международная группа с участием ученых НГУ опубликовала статью о новом методе управления лазером

    В НГУ проведены исследования волоконного лазера с оригинальным управляющим элементом, использующим композитный наноматериал нового поколения на основе углеродных нанотрубок и ионной жидкости. Результаты работы опубликованы в престижном журнале Nano Letters.
    706
  • 12/08/2019

    Кристалл, созданный в Новосибирске, нашел применение в медицине

    ​Новосибирские ученые вырастили кристалл, который позволит диагностировать болезни на ранних стадиях, сообщили сотрудники Новосибирского госуниверситета 10 августа в интервью «Вести-Новосибирск». Растили кристаллы - открыли технологию, которая поможет спасать жизни.
    553
  • 19/09/2019

    НГУ и ИЯФ СО РАН представили на форуме «Технопром» инновационную методику лечения рака

    ​​C 18 сентября в рамках VII Международного форума технологического развития «Технопром» Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера представят стенд, посвященный совместной работе центра бор-нейрозахватной терапии онкологических заболеваний.
    1153
  • 20/09/2019

    Модель спутника Лаборатории Малых космических аппаратов НГУ была представлена на главной авиакосмической выставке России

    ​Международный авиационно-космический салон проходит в подмосковном городе Жуковский раз в два года. Выставка собирает главных представителей космической и авиационной отраслей со всего мира: ученых, инженеров, конструкторов, разработчиков, представителей бизнеса.
    1018
  • 14/02/2017

    Томский ученый Илья Романченко - о физике и разработках

    ​​​Томский физик Илья Романченко получил премию президента в области науки и инноваций для молодых ученых за 2016 год. В интервью РИА Томск он рассказал о том, как его работа может помочь в борьбе против раковых клеток и террористов, почему в физике недостаточно просто выучить формулы, а также на что он собирается потратить 2,5 миллиона рублей.
    4192
  • 13/02/2019

    НГУ и GetAClass запустили совместную серию образовательных роликов о космических спутниках

    ​Идея создания серии роликов на эту тему родилась в процессе работы над проектом Федеральной целевой программы по созданию в университете собственной модульной спутниковой платформы. Проект предполагает не просто разработку модели спутника, а создание полноценной инфраструктуры для наземной экспериментальной отработки космического аппарата и дальнейшей работы с ним уже на орбите.
    916
  • 06/08/2020

    Шаг в «водородную эру» - интервью с молодым сибирским ученым Дмитрием Потемкиным

    ​Весной этого года сразу трое сотрудников Института катализа СО РАН стали лауреатами конкурса мэрии Новосибирска в сфере науки и инноваций среди молодых ученых. В их числе – кандидат химических наук Дмитрий Потемкин, чья работа связана с созданием катализаторов и технологий для водородной энергетики.
    473
  • 29/08/2019

    Новосибирские ученые разработали и установили детекторы для исследований в области гамма-астрономии

    ​В лаборатории новых методов регистрации ионизирующих излучений Физического факультета НГУ закончилась сборка второй партии сцинтилляционных счетчиков для установки TAIGA-Muon гамма обсерватории TAIGA.
    511
  • 28/05/2020

    Ущерб от «черной пятницы» и влияние генов на характер: учащиеся СУНЦ НГУ стали призерами международной конференции

    ​В мае учащиеся СУНЦ НГУ успешно выступили на международной конференции для школьников "Сахаровские чтения". Свои доклады по информатике, физике и биологии ребята представили в режиме онлайн.
    413
  • 17/10/2019

    НГУ – 60 лет: все только начинается

    ​Новосибирскому государственному университету исполнилось 60 лет. Новосибирский государственный университет ориентирован на подготовку кадров для науки, образования и высокотехнологических отраслей промышленности, новейших междисциплинарных направлений науки.
    1251