Профессор Маркус Сигрист руководит группой лазерной спектроскопии и считывания в Институте квантовой электроники Швейцарской высшей технической школы Цюриха. В интервью «ФИАН-Информ» он рассказал о неожиданном спектроскопическом решении для хирургии и криминалистики, разработанном его группой. Работа была представлена на 9-ой Международной конференции по диодной лазерной спектроскопии (TDLS-2013) в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН).

     - На конференции были представлены работы в области перестраиваемых лазеров. Почему эти источники привлекли внимание учёных?

    - Дело в том, что  частоту излучения в перестраиваемых лазерах можно изменять в спектральном диапазоне, по ширине значительно превышающем ширину линии излучения лазера. Они позволяют изучать поглощающие свойства молекул и быстро получать высокоточную «картину» вещества, поэтому всё чаще используются в аналитических приборах для фундаментальной спектроскопии и для её приложений. Надо сказать, идеального лазерного источника пока нет, но прогресс в этом направлении – в том числе, судя по конференциям TDLS – весьма заметен.

      - Расскажите, пожалуйста, о работе вашей группы в Институте квантовой электроники.

    - В нашей лаборатории разрабатываются и создаются системы с использованием перестраиваемых лазеров, работающих в средневолновой инфракрасной области спектра, где большинство молекул имеет сильное поглощение, а также очень специфическое поглощение (как, например, молекулы отпечатков пальцев). Мы создаём системы для газоанализа: начали с изучения атмосферных и промышленных газов, а в последнее время перешли к применению лазерных технологий в медицине. Поражает, сколько разнообразных направлений использования в одной только этой сфере уже удалось «нащупать» – и сколько ещё, как мы надеемся, предстоит.

     - Какие из них Вы осветили на конференции?

    - Во-первых, мы предложили технологию для измерения уровня глюкозы в тканях организма. Это неинвазивный метод, и он должен заинтересовать больных диабетом, которым приходится замерять уровень сахара в крови по несколько раз в день. Для измерения используется квантово-каскадный лазер с излучением в средней инфракрасной области спектра (длина волны составляет около 10 мкм) и фотоакустический сенсор. Во-вторых, я рассказал о нашей свежей разработке для спектроскопического анализа выдыхаемого воздуха. Такой анализ может пригодиться врачам как неинвазивный метод диагностики заболеваний.

    - Вы упомянули квантово-каскадный лазер. В чём его особенность?

    - Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) – довольно молодое и очень перспективное направление. Это полупроводниковые лазеры, излучающие  в средней и дальней (терагерцевой) инфракрасной области спектра. А поскольку терагерцевые волны сочетают свойства «соседей» по спектру, у них высокая проникающая способность и они легко фокусируются. При этом в отличие от рентгеновского, терагерцевое излучение безвредно.

    Своё название ККЛ получили из-за механизма генерации излучения. Обычные полупроводниковые лазеры излучают путём взаимодействия  (рекомбинации) электронно-дырочных пар через запрещённую зону полупроводника, не заполненную электронами. В квантово-каскадных лазерах луч получается, когда электроны перемещаются между слоями гетероструктуры полупроводника внутри одной зоны. Эти слои чуть различаются по толщине и разделены слоями другого материала, поэтому разные уровни энергии  образуют своего рода «лестницу», по которой электрон и «спускается», испуская фотон на каждой «ступени».

     - Какие ещё применения  перестраиваемые лазеры находят в Вашей лаборатории?

    - Например, в электрохирургии. При проведении операций с использованием электроножей или лазеров зачастую выделяется некоторое количество дыма. Его не много, и всё же возникает вопрос, не содержит ли он компоненты, токсичные или опасные для пациента или медперсонала. И главное – в какой концентрации? Теперь мы можем проводить количественный анализ и определять химический состав дыма. Измерения in vivo (в организме), которые стали возможны благодаря сотрудничеству с Университетской больницей Цюриха, показывают, что концентрации большинства газов не превышают норму; только газообразный анестетик (C₄H₃F₇O) содержится в большом количестве.

    Наконец, лазеры находят применение и в криминалистике, для выявления наркотиков в организме, например, у водителей. Используемые сейчас методы их выявления не очень надёжны и, в случае положительного результата, требуют дополнительного и довольно  дорогостоящего анализа в лаборатории. Оптическое детектирование могло бы упростить эту процедуру. Так, мы выявляли пробы кокаина в слюне с помощью Фурье-спектрометров и квантово-каскадных лазеров. Сейчас предстоит работа по повышению чувствительности прибора, которая в сочетании с миниатюрностью и простотой сделает его действительно перспективным для практического использования.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-информ»

    Определить направление и скорость ветра на Венере, отыскать внесолнечные планеты и, наконец, отследить концентрацию углекислого газа на родной Земле – разработанные в МФТИ спектрометры IVOLGA способны помочь с решением всех этих задач. Александр Родин, доцент МФТИ и один из главных идеологов проекта, рассказал о принципах работы рекордных устройств в своём докладе на прошедшей в ФИАН конференции TDLS 2013 (International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy)

    ИК-спектроскопия это один из самых распространенных способов для анализа химического состава веществ. Характерные пики поглощения света в этом диапазоне позволяют говорить о химических связях в образцах, взаимодействовавших с анализируемым светом. Однако этим возможности молекулярной спектроскопии не ограничиваются и при большом разрешении прибора уже можно определять состояние изучаемого вещества – его температуру, давление и пр.

    В спектрометрах IVOLGA анализируются инфракрасное излучение далёких космических тел. Для этого оно складывается на фотоприемнике с постоянным сигналом близкой частоты. В полном соответствии со школьной тригонометрией в результате получается две новых частоты – средняя и полуразностная, сигнал с которой попадает в радиодиапазон и дальше анализируется более привычной, радиочастотной электроникой.

    «Уже 50-60 лет во всём мире пользуются гетеродинными приёмниками – и здесь не обязательно говорить о далёких планетах и космических телах. Ведь после второй мировой гетеродины стоят во всех FM-приёмниках. Но гетеродинирование в инфракрасной области, области ближнего ИК – это экзотика. Почему? Потому что есть фундаментальное ограничение эффективности – чем короче длина волны, тем с меньшего угла мы можем принимать излучение. Но с помощью буквально простой стеклянной кюветы, катушки волокна, чипа с полупроводниковым лазером и различной электроники нам удалось получить прибор, который по своему спектральному разрешению эквивалентен телескопу с 5-метровой разностью хода и стоимостью в несколько миллионов евро» – Александр Родин

    Спектральное разрешение оптических приборов обычно определяется в терминах отношения λ к δλ – длины волны излучения к разнице длин волн, – на которых ещё можно отличить близкие друг к другу сигналы. Для обычных спектрометров значение этой величины равняется 100 или 1000, для дорогостоящих Фурье-спектрометров достигает 10 тыс., а для ИК-спектрометров IVOLGA – уже около 10⁹. Такое рекордное разрешение позволяет новым приборам решать самые различные задачи.

 

    «Мы видим, что концентрация углекислого газа в земной атмосфере за последнее столетие выросла в два раза. Как это связано с парниковой проблемой – вещь неоднозначная. А чтобы в чём-то разобраться, нам надо сначала научиться это чётко отслеживать. Сейчас определением углекислого газа занимаются два спутника, японский и американский, и около 20 наземных станций. На каждой из них стоит многомиллионный Фурье-спектрометр, для обслуживания которого нужен квалифицированный персонал. А для обслуживания нашего прибора не требуется совершенно никаких усилий. Поэтому мы надеемся, что сможем не просто побороться за этот рынок, а по-настоящему сформировать его. Как в 80-ые, 90-ые – вся эта шумиха с озоновыми дырами привела к тому, что на тысячах метеостанций появилась аппаратура, которая в режиме реального времени теперь определяет концентрацию озона» – Александр Родин

    Кроме анализа земной атмосферы, с помощью спектрометров IVOLGA можно изучать и различные, казалось бы, недоступные для земного наблюдателя, процессы на других космических телах. Так незначительный сдвиг спектральных линий в сигналах с Венеры показывает скорость ветра на этой планете (Сдвиг происходит из-за эффекта Доплера, изменения частоты сигнала при движении источника или приёмника).

    Мы рассказали только о двух идеях для применения новых приборов. В действительности, их гораздо больше и многие из них рождаются в общении с коллегами, а потому участие в конференциях подобных TDLS-2013 очень важно для будущего проекта.

    «Конкуренцию в нашей области, конечно, ещё никто не отменял. Но конкуренция всегда должна идти бок о бок с сотрудничеством. Для меня, например, очень важно было познакомиться с ведущими зарубежными группами, работающими по нашей тематике. Да, наша работа стала возможна благодаря Физтеху. Она начиналась в Физтехе, через Физтех мы получаем финансирование по мегагранту Владимира Анатольевича Краснопольского – но для успеха всего проекта ещё очень важна кооперация. Потому что на Физтехе нам удалось собрать на одной площадке ведущих российских специалистов из ИКИ РАН, ФИАН, МГУ и даже МПГУ. На первый взгляд, даже в голову не пришло бы идти в пединститут  – а там оказались совершенно классные специалисты, которые очень помогли работе. Поэтому такие конференции, общение с коллегами, обсуждение новых идей очень важно» – Александр Родин

М. Петров, АНИ «ФИАН-информ»

    Профессор Арлан Мантц из Коннектикутского колледжа – один из ведущих специалистов в области диодных лазеров, организатор 9-ой Международной конференции по диодной лазерной спектроскопии (TDLS-2013), состоявшейся в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). В интервью «ФИАН-информ» учёный прокомментировал свою работу и рассказал о перспективных участниках рынка лазерной спектроскопии – перестраиваемых лазерах.

    - На конференции докладчики рассказывали о новейших разработках в области перестраиваемых лазеров. Чем отличаются эти источники от других типов лазеров?

    - Особенность перестраиваемых лазеров – в том, что частоту излучения в них можно изменять в спектральном диапазоне, по ширине значительно превышающем ширину линии излучения лазера. С помощью таких приборов можно изучать поглощающие свойства молекул, и – из-за яркости лазеров – быстро получать высокоточную «картину» вещества. Из-за этого перестраиваемые лазеры активно используются в аналитических приборах как для фундаментальной спектроскопии (исследования спектров поглощения молекул), так и для её приложений, например, в медицине, экологическом мониторинге, космических исследованиях, технологических процессах и др. Вообще, этот тип лазеров сегодня считается одним из наиболее перспективных.

    - Получается, перестраиваемые лазеры применяются в очень разных сферах науки…

    - Да, применения самые разнообразные. Вот почему мы и стараемся регулярно собираться – чтобы видеть весь спектр возможностей. Основной замысел конференции в том, чтобы собрать как разработчиков, так и потребителей лазеров, для того чтобы первые понимали, что нужно вторым, а вторые узнали, что предлагают или могут предложить первые.

    - Как появилась эта конференция?

    - Мы с Александром Надеждинским организовали первую конференцию в 1995 году – изначально для поддержки молодых российских учёных, многие из которых не имели возможности регулярно ездить на подобные мероприятия на Запад. Таким образом, мы провели две встречи в Москве, одна из которых проходила в ФИАНе. С тех пор каждые два года мы устраиваем эту конференцию в Европе: в Италии, Швейцарии и Франции. На этот раз мы вернулись в Москву – отчасти из-за того, что в этом году здесь же проходит ICONO/LAT – Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO), объединённая с Международной конференцией по лазерам, их применениям и технологиям (LAT). Это один из крупнейших форумов в мире по фотонике, лазерной физике и их применениям. Кроме того, это отличная возможность пригласить побольше докладчиков из России, которые традиционно предлагают много интересных идей.

    - Расскажите, пожалуйста, о работе, которую Вы представили на конференции.

    - Моя работа посвящена изучению молекул в атмосфере, прежде всего, внешних планет, а именно в атмосфере Титана, спутника Сатурна. Мы выбрали именно его потому, что это единственный естественный спутник в Солнечной системе с атмосферой, близкой по химическому составу к земной. Температуры там ниже, чем в атмосфере Земли, – у поверхности составляет примерно 80 кельвинов (минус 193 °C), и точное моделирование атмосферных условий требует «подобрать» параметры линии молекулярного поглощения, которые будут пригодны при температурах от 296 до 80 К. Целью работы было прийти к моделированию «молекулярной картины» атмосферы у различных планет, в том числе и у Земли. Однако в центре внимания пока находится всё же Титан, атмосфера которого изобилует метаном, этаном и пропаном.

    - Каких результатов Вам удалось достичь на сегодняшний день?

    - Для моделирования атмосфер очень важны, в частности, коэффициенты давления, то, как меняется температура при изменении давления, – и мы эти коэффициенты как раз выводим. 

    Основной же успех в том, что мы разработали методы, позволяющие изучать молекулы с очень высокой точностью и с высокой стабильностью температуры. Я занимаюсь этой работой с 1995 года, то есть почти 20 лет идёт разработка и усовершенствование разных типов поглощающих ячеек (это тот элемент прибора, в который поступает анализируемый газ). Сегодня мы пришли к длине поглощения в 21 м при температурах до 50 К и температурной стабильностью 0,001 К, и это очень неплохой результат.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) состоялась 9-ая Международная конференция по диодной лазерной спектроскопии (TDLS-2013), на которой докладчики рассказали о новейших разработках в области применения лазерных устройств одного из самых перспективных типов – перестраиваемых лазеров.

    Международная конференция по диодной лазерной спектроскопии, проводимая с 1995 года, в третий раз за свою историю состоялась в Москве. В этом году она прошла в рамках другого важного научного мероприятия – Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO), проводившейся совместно с Международной конференцией по лазерам, их применениям и технологиям (LAT). В то время как ICONO/LAT-2013, одна их крупнейших конференций в мире по фотонике, лазерной физике и их применениям, собрала специалистов по различным направлениям этого сектора, TDLS-2013 была посвящена спектроскопии и газоанализу, осуществляемых с помощью перестраиваемых лазерных диодов.

    Особенность перестраиваемых лазеров заключается в том, что частоту излучения в них можно изменять в спектральном диапазоне, значительно превышающем ширину линии излучения лазера. Такие приборы позволяют быстро получить высокоточную «картину» вещества. Из-за этого перестраиваемые лазеры активно используются в аналитических приборах как для фундаментальной спектроскопии (исследования спектров поглощения молекул), так и для её приложений, например, в медицине, экологическом мониторинге, космических исследованиях, технологических процессах и др.

    Рассказывает один из организаторов конференции, заведующий лабораторией спектроскопии межмолекулярных взаимодействий в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН), канд. физ.-мат. наук Яков Яковлевич Понуровский: «Конференция носит фундаментально-прикладной характер… даже не столько фундаментальный, сколько прикладной. Это видно по составу докладчиков: в основном это разработчики аппаратуры со знанием спектральных особенностей поглощающих сред. Здесь важно понимать и фундаментальную спектроскопию, и применение лазеров в конкретных технологиях».

    Разброс приложений лазерной спектроскопии, представленных на конференции, впечатляет. В Институте спектроскопии РАН с помощью этой технологии исследуются температурные градиенты в сопле реактивного двигателя (речь идёт об изменении температур и концентраций горючего в зависимости от скорости потоков), причём разрабатываемые приборы измеряют процессы продолжительностью в несколько десятков миллисекунд. В Отделе диодной спектроскопии ИОФ РАН создают приборы с диодными лазерами, в частности, для мониторинга парниковых газов с помощью самолётных лабораторий и диагностики выдыхаемых человеком газов – такие устройства применяются в алкотестерах, а также при хеликобакторной диагностике (то есть при распознавании гастроэнтерологических болезней). НПО «Салют» из Нижнего Новгорода использует диодные лазеры для газоанализа в примесях, в процессах очистки гидридных газов, которые активно применяются, например, при выращивании микросхем и в других тех процессах где используется МОСгидридная эпитаксиальная технология. 

    Американские учёные из Университета Райса и Коннектикутского колледжа представили новое оборудование для исследования спектров поглощения различных газов в экстремально холодных условиях и при различных – высоких и низких – давлениях. В качестве объекта изучения была выбрана атмосфера Титана, спутника Сатурна, а в дальнейшем работа поможет смоделировать молекулярный состав атмосферы и других планет, в частности Марса и Венеры.

    Несколько научных групп из Франции и Швейцарии рассказали о новых источниках лазерного излучения, диодных лазерах в среднем и ближнем ИК-диапазоне. В связи с развитием новой технологии создания квантовых каскадных лазеров важное место стали завоёвывать когерентные источники для среднего ИК-диапазона. В конференции приняли участие фирмы Phocone, Nanoplus, которые выпускают такие диодные лазеры на спектроскопический рынок и аналитические приборы на их основе. В целом, как отметил один из отцов-основателей конференции, профессор Арлан Мантц из Коннектикутского колледжа, присутствие бизнеса также очень важно, ведь «основной замысел конференции в том, чтобы собрать вместе всех – и разработчиков, и потребителей лазеров, для того чтобы первые понимали, что нужно вторым, а вторые узнали, что предлагают или могут предложить первые».

О.Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»