Один из наиболее коммерчески успешных резидентов Троицкого технопарка ФИАН – компания ООО «Авеста-Проект». Исследования сотрудников компании, проводимые совместно с учеными ФИАН, позволяют поддерживать вполне конкурентоспособный уровень предложения фемтосекундных оптических систем.

    Сочетание «фемтосекундный лазер» все прочнее входит в нашу жизнь. Сегодня уже никого не удивишь использованием лазеров в медицине, вопрос только за расширением их областей применения. Однако широкие возможности этих систем сулят намного бóльшие перспективы. И важную роль здесь играют научно-исследовательские работы.

    Основным направлением деятельности резидента Троицкого технопарка ФИАН ООО «Авеста-Проект» является разработка, производство и наладка твердотельных и волоконных фемтосекундных лазерных систем и усилителей, а также различной измерительной и диагностирующей аппаратуры на их основе. Рассказывает Матвей Конященко, сотрудник ООО «Авеста-Проект»:

    «Фемтосекундные лазеры, иначе их еще называют лазерами ультракоротких импульсов, интересны своим широким спектром применения. Длительность импульса таких лазеров составляет от единиц до сотен фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10^-15 секунд – Прим. ред.). Мы в основном работаем на титан-сапфировых лазерах, с импульсами в диапазоне 6-500 фемтосекунд. Это системы, обладающие высокой пиковой мощностью при относительно небольших, лабораторных размерах. Например, лазер с излучением в 10 ТВт обладает пиковой мощностью, превышающей мощность всех электростанций на планете. Благодаря своим характеристикам, подобные установки, кроме чисто научных исследований – например, генерация плазмы или создание экстремальных состояний материи, – нашли применение почти во всех областях деятельности от медицины до космических технологий.»

    Осуществление этой деятельности неразрывно связано и с научными поисками. Большинство разработок ведется в тесном взаимодействии с научными коллективами ФИАН.

    «Создаваемые нами лазерные системы широко используются в научных исследованиях. Например, для исследования атмосферы и контроля электрических разрядов, генерации и изучения плазмы. Не менее важны и для нас научные исследования в области физики, химии, материаловедении: они позволяют разрабатывать устройства со все более интересными свойствами и все более широким спектром применения» – комментирует Матвей Конященко.

    Разрабатываемые компанией волоконные фемтосекундные лазеры применяются для тестирования полупроводниковых и телекоммуникационных систем, наноструктурирования поверхности материалов, создания и реставрации фотошаблонов, в дальнейшем используемых для создания микрочипов, обработки тонких пленок и нанесения покрытий, многофотонной микроскопии, в офтальмологии и многих других областях. В будущем, помимо исследования структурных свойств материалов, такие системы смогут применяться в нейрохирургии, стоматологии, наноконструировании поверхностного слоя и т.д. Многие области применения фемтосекундных лазеров еще не изучены, исследования по этой тематике ведутся во всех ведущих научных учреждениях мира. Не отстают от них и российские ученые.

    «Глупо говорить, что мы первые или единственные, кто занимается фемтосекундными лазерами. Это направление очень бурно развивается во всем мире. Но можно с уверенностью сказать, что мы не отстаем от мировых тенденций. Например, одна из наших последних идей – система для измерения контрастных фемтосекундных импульсов. Сейчас мы ведем ее интенсивную разработку. Это будет уникальная даже по мировым меркам система, но достаточно специфичная, чисто для научного применения» – рассказывает Матвей Конященко.

    Сотрудники «Авеста-проект» занимаются не только созданием и настройкой лазеров для различных областей применения, но и разработкой новых лазерных систем. Одна из последних разработок «Авеста-Проект» по заказу одного из ведущих российских научных институтов – титан-сапфировая тераваттная система AVET-10, с пиковой мощностью до 10 ТВт. Возможные применения системы включают в себя такие области, как ускорение частиц для фундаментальных исследований, исследования в области термоядерного синтеза и генерации плазмы, генерация рентгеновского излучения и аттосекундных импульсов, использование системы в качестве задающего блока в усилителях петаваттного уровня, а также удаленный мониторинг загрязнения атмосферы и контроль электрических разрядов с помощью филаментов.

    Матвей Конященко: «Это очень мощные системы. Об их возможном применении в физике и технике можно говорить бесконечно. Скажу о более популярной среди широких масс области – медицине. Как один из аспектов будущего применения фемтосекундных лазеров – протонная терапия. Она уже и сейчас используется, но применяемые сегодня протонные ускорители очень громоздки и дороги. Не всякое лечебное учреждение это может позволить. Со временем фемтосекундные лазеры смогут их заменить. Но это – дело будущего, и, возможно, не столь далекого, как нам кажется. Есть и более интересная перспектива для медицинского применения фемтосекундных лазеров – лечение рака. Исследования в данной области только начались и понадобится, наверное, не менее 10-15 лет, прежде, чем можно будет говорить о каких-то реальных результатах, об эффективности этого подхода.»

    Сотрудники «Авеста-Проект» не собираются останавливаться на достигнутом, они ищут пути расширения своей деятельности: исследуются возможности увеличения мощности и повышения надежности работы лазерных систем, определяются новые области применения существующих лазеров, разрабатываются новые системы. А мы с нетерпением ждем новых интересных результатов.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

    Группа ученых из лаборатории фотохимических процессов ФИАНа совместно с Томским институтом сильноточной электроники СО РАН разработала гибридную лазерную систему, позволяющую получать фемтосекундные импульсы сверхвысокой мощности в видимом диапазоне. Предложенная система позволит решить неразрешенную на сегодняшний день задачу построения объемного изображения живой клетки, а также открывает широкий спектр применения в других областях науки: физике, химии, медицине.

    Разработанная система относится к классу лазерных установок, позволяющих при фокусировании лазерного излучения создавать экстремально сильные электромагнитные поля, в которых вещество приобретает новые свойства, не достижимые другими способами. Получение таких полей стало возможным благодаря развитию новых технологий, позволяющих генерировать ультракороткие световые импульсы длительностью от нескольких единиц до десятков фемтосекунд (1 фс = 10^-15 сек). Ключевым в этих технологиях является предложенный Жераром Муру метод усиления чирпированных (т.е. растянутых во времени) импульсов, суть которого состоит в увеличении длительности исходных фемтосекундных импульсов (в ~10⁴ раз для твердотельных усилителей), после чего они усиливаются до нужной энергии и снова сжимаются до исходной длительности. Благодаря ультракороткой длительности даже при сравнительно скромной энергии в импульсе (несколько десятков джоулей) на выходе таких систем достигаются сверхвысокие мощности излучения порядка 1 ПВт = 10¹⁵ Вт и выше, а также беспрецедентно высокие плотности потока световой энергии - до 10²² Вт/см² при фокусировке этого излучения. Пиковая мощность излучения такого лазера в фемтосекундном импульсе превышает всю электрическую мощность, потребляемую человечеством на земле. Плотность энергии в фокусе лазерного излучения достигает значений, характерных для ядерного взрыва, а напряженность электрического поля на несколько порядков превышает внутриатомную.

    При такой интенсивности взаимодействие лазерного излучения с веществом в любом агрегатном состоянии приводит к образованию плазмы с уникальными свойствами, в которой, в зависимости от условий проведения эксперимента, рождаются пучки электронов, протонов, нейтронов, рентгеновского и гамма излучений, причем в рентгеновском диапазоне можно получать импульсы аттосекундной длительности (1 аттосекунда = 10^-18 сек), которые на три порядка короче возбуждающих импульсов, а также генерировать в плазме лазерное излучение в рентгеновском диапазоне. Напряженность электрического поля в тысячу раз превышает поля в современных ускорителях и электроны на расстояниях менее 1 см приобретают релятивистские скорости направленного движения, близкие к скорости света. При этом приобретаемая электронами энергия сравнима с энергиями, получаемыми на ускорительной технике – синхротронах и линейных ускорителях длиной 100...200 м.

    В создаваемом фемтосекундным излучением экстремальном состоянии вещества, характеризующимся сверхвысокими температурой, давлением, электрическим и  магнитным полями, создаются условия для лабораторного моделирования ядерных и термоядерных реакций, крупномасштабных астрофизических явлений, в том числе процессов, происходящих в недрах космических объектов. Перечисленные явления представляют фундаментальный интерес, поскольку в наблюдаемых экстремальных состояниях вещества неприменимы многие традиционные физические представления. Вместе с тем, эти явления успешно используются для решения широкого круга прикладных задач: рентгеновской, электронной и протонной томографий, получения короткоживущих изотопов для медицины, а в перспективе могут использоваться для протонной терапии онкологических заболеваний и в схемах быстрого поджига инерциального термоядерного синтеза.

    Все существующие в настоящее время сверхмощные лазерные установки фемтосекундной длительности основаны на твердотельных технологиях и работают в ближней инфракрасной области спектра (800 или 910 нм). Вместе с тем, характер взаимодействия с плазмой и ее свойства зависят от длины волны возбуждающего излучения. Поэтому создание лазерных систем сверхвысокой мощности, генерирующих ультракороткие импульсы излучения в других спектральных диапазонах, позволяет не только уточнить наши представления об экстремальных состояниях вещества, но и расширить экспериментальные возможности для наблюдения новых явлений в плазме. Развитый новый, т.н. гибридный подход к построению сверхмощных фемтосекундных систем позволяет получать излучение в видимом диапазоне спектра (475 нм). Он основан на уникальных технологиях, разработанных в ФИАНе и ИСЭ СО РАН.

    Рассказывает Михеев Леонид Дмитриевич, заведующий лабораторией фотохимических процессов ФИАН: «Ключевое отличие нашего подхода от существующих систем сверхвысокой мощности состоит в использовании в конечном усилителе фемтосекундных импульсов газовой активной среды с оптической накачкой. Преимуществом газовой среды является гораздо более низкая оптическая нелинейность по сравнению с твердым телом. Это позволяет на три порядка снизить коэффициент растяжения фемтосекундных импульсов перед их усилением и использовать более простые методы обратного сжатия усиленного импульса в объеме стекла вместо сложных и дорогостоящих компрессоров на основе дифракционных решеток, применяющихся в твердотельных системах».

    На основе развитых технологий в ФИАНе совместно с ООО «Авеста-Проект» и ИСЭ СО РАН, изготовившими соответственно стартовый твердотельный комплекс и газовый усилитель, построен прототип гибридной фемтосекундной системы и на нем получены ответы на ключевые вопросы конструирования таких систем. Результаты исследований были использованы для создания совместными усилиями в ИСЭ СО РАН полномасштабной гибридной системы с проектируемой пиковой мощностью до 100 ТВт (100×10¹² Вт). В настоящее время на стадии физического запуска системы получена мощность 14 ТВт в импульсе длительностью 50 фс. Это значение мощности является рекордным для видимого диапазона и демонстрирует перспективность разрабатываемой гибридной концепции развития фемтосекундных систем сверхвысокой мощности в видимом диапазоне спектра.

    Одно из наиболее важных и впечатляющих следствий уменьшения длины волны лазерного фемтосекундного излучения связано с тем, что под его воздействием лазерная плазма приобретает новые свойства, позволяющие создавать на ее основе рентгеновские лазеры более коротковолнового диапазона по сравнению с теми, которые в настоящее время реализованы в лазерной плазме. В частности, это открывает возможность создать рентгеновский лазер, излучающий в т.н. «окне прозрачности воды» (2,3...4,6 нм), что имело бы беспрецедентно важное значение для развития биологии и медицины.

    Леонид Дмитриевич: «Дело в том, что в указанном диапазоне длин волн углерод, входящий в состав органических соединений (например, белков), поглощает излучение гораздо сильнее, чем вода, которая составляет основу цитоплазмы живой клетки. Это позволяет методами голографии построить с нанометровым разрешением высококонтрастное трехмерное изображение живой клетки и других микробиологических объектов. Поэтому создание источников когерентного излучения в окне прозрачности воды является сейчас одной из наиболее «горячих» проблем и к ней приковано внимание многих научных коллективов. Это позволило бы изучить функционирование белков внутри живой клетки, понять детали их взаимодействия с другими структурами, исследовать структуру вирусов и их изменчивость, играющую фундаментальную роль в эволюции жизни на земле.»

    Вообще говоря, круг научных и прикладных задач, требующих разработки новых источников рентгеновского диапазона, весьма широк и не ограничивается вышеописанной проблемой. Наряду с традиционными задачами, такими как структурный анализ и спектроскопия материалов, постоянно возникают новые области применений в фотохимии, биофизике, ядерной физике, электронике и т.д.

    В заключение необходимо отметить, что реализация гибридного подхода являет собой яркий пример плодотворности объединения усилий и сотрудничества двух научных коллективов, занятых в смежных областях научно-технических исследований, с целью создания новых технологий.

Б. Массалимов, АНИ «ФИАН-информ»

    Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева создали и исследовали характеристики высокоинтенсивного широкополосного источника электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 250 до 830 нм, работа которого основана на явлении филаментации ультракоротких импульсов ИК лазерного излучения. Такой источник света может быть полезен для различных задач спектроскопии фемтосекундного разрешения в оптике, плазмонике, биологии, а также для наноструктурирования поверхности материалов.

    Нелинейная оптика как новый, самостоятельный раздел физической науки стал активно развиваться с появлением лазеров – они могут генерировать свет с настолько большой напряженностью электрического поля, что она становится сопоставима с напряженностью микроскопического поля в атомах. В грубом приближении эта особенность и порождает многие удивительные явления нелинейной оптики. В том числе и филаментацию, когда энергия мощных лазерных импульсов самофокусируется – локализуется в светящиеся нити. Комментирует Андрей Ионин, заведующий лабораторией газовых лазеров ФИАН, где проводились эти исследования с использованием различных фемтосекундных лазерных систем .

    «Фемтосекундные импульсы имеют очень короткую длительность. Поэтому у них даже при маленькой энергетике будет очень большая мощность, и они будут самофокусироваться в прозрачных средах. Такая нелинейная самофокусировка происходит еще до геометрического фокуса. Возникает волноводное распространение импульса и протягивается светящаяся нить – можно просто взять микроскоп и смотреть непосредственно, что происходит в воздухе. Ведь формируется сначала только один филамент, потом появляется «горячее» кольцо рефрагированного излучения с большой плотностью электромагнитного поля, ореол. В результате взаимодействия в такой сложной структуре поля, возникает целый ряд вторичных филаментов.»

    Особенно сложным процесс филаментации становится в условиях жесткой фокусировки с многократным превышением критической мощности излучения, необходимой для образования первой светящейся нити. В этом случае начинается множественная филаментация, когда филаменты, каждый из которых излучает в широком спектральном диапазоне, хаотично образуются как в продольном, так и поперечном направлении. Этот процесс во многом определяется случайными флуктуациями электрического поля лазерного излучения и оптических характеристик среды, а потому до сих пор остаётся принципиально неуправляемым.

    «Мы установили, что характеристики больших филаментов легко просчитать с помощью численных методов. А вот множественные филаменты жесткой фокусировки считать трудно – нужно использовать очень большие числовые сетки, огромный объем вычислений. Поэтому теоретических и модельных работ по этой теме было очень мало. А в ходе проведенных экспериментов мы показали, что диаметр таких филаментов может достигать нескольких микрон, а длина зависит в основном от мощности излучения» – говорит Леонид Селезнев, старший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров ФИАН.

Рисунок 2. Проекция на экране пятна излучения суперконтинуума, получаемого в воздухе при множественной филаментации

    В экспериментах учёных использовались излучение фемтосекундного титан-сапфирового  лазера, мощность которого варьировалась от одного до десятков ГВт (достигалось многократное превышение критической мощности для самофокусировки излучения). В результате, наблюдалась множественная филаментация с управляемыми характеристиками – диаметром и протяженностью филаментов. Кроме того, так учёным удалось получить широкополосное излучение (суперконтинуум), являющееся ярким источником белого света фемтосекундной длительности (рисунки 2 и 3).

    «В филаментах очень интенсивно протекают нелинейные процессы и в том числе значительное уширение спектра. В результате, появляется очень широкий спектр излучения, который простирается и на инфакрасный диапазон. Такое широкополосное излучение называется суперконтинуум. Получается, что изначальное излучение, которое находится где-то на границе красного и инфакрасного, преобразуется в излучение самых разных частот – фиолетовое, жёлтое, зелёное. И реально это выглядит, кстати, так ярко, что даже смотреть немного больно» – Леонид Селезнев.

    Учёные провели аналогичные опыты в твердых телах и жидкостях, плотности которых в тысячи раз больше плотностей воздушной среды, а потому плотность лазерной плазмы в них будет больше, а критические мощности, наоборот, меньше, позволяя более эффективно генерировать излучение суперконтинуума (рисунок 3). В результате, были более подробно проанализированы особенности множественной филаментации в прозрачных средах и возможности управления ею для создания спектроскопической техники сверхвысокого временно разрешения. Комментирует Сергей Кудряшов, старший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров ФИАН.

    «Реализованный высокоинтенсивный широкополосный источник излучения фемтосекундной длительности позволяет как зондировать (что само по себе известно, хотя и не совсем обычно), так и возбуждать на временных масштабах порядка 100 фемтосекунд динамические электронные и ядерные процессы в отдельных молекулах и в конденсированной фазе. В частности, с использованием излучения суперконтинуума на поверхностях большинства материалов впервые экспериментально обнаружены признаки высокогоэффективного возбуждения в течение импульса суперконтинуума поверхностных плазмонов с длиной волны около 200 нм и напряженностью поля, близкой к внутриатомной. Этот эффект позволил в режиме интерференции встречных поверхностных плазмонов осуществить наноструктурирование поверхности материала на масштабах 10-100 нм. Поскольку эта разработанная нами перспективная простая, дешевая и практически универсальная технология наноструктурирования поверхности материалов может представлять практический интерес, подана заявка на патент РФ».

М. Петров, АНИ «ФИАН-Информ»