Устройства ограничения мощности лазерного излучения играют важную роль в фотонике для защиты глаз человека и оптических устройств, чувствительных к высокоинтенсивным световым импульсам. В настоящее время можно отметить следующие области применения лазеров в медицине, микроэлектронике и инженерии: лазерная сварка и резка, 3D фотолитография, лазерная хирургия, лидары для исследования рельефа местности, дна водоемов или атмосферы. Лазерное излучение представляет опасность для человека. По этой причине разработка эффективных средств защиты (их называют оптическими ограничителями) от поражения лазерным излучением находится в центре внимания вот уже многие десятилетия. Но универсальную защиту разработать довольно не просто.
Группа российский ученых, созданная на базе Института физиологически активных веществ Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (ИФАВ РАН) и Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ», сообщает о разработке новой методологии прогнозирования эффективности оптического ограничения на основе индуцированных электрическим полем изменений в спектрах поглощения, смоделированных квантово-химическим методом TDDFT (Time-Dependent Density Functional Theory).
«Мы вывели аналитические выражения для оценки производительности ограничителей мощности лазерного излучения на основе фталоцианиновых красителей. Такие красители обладают сильным нелинейным поглощением высокоинтенсивного излучения и могут использоваться в качестве рабочих веществ оптических ограничителей. Экспериментальные исследования на лазерных установках относятся к дорогостоящим и сложным в исполнении. Поэтому с помощью разработанной методологии исследователь, имея в наличии всего лишь оптимизированную структуру потенциального поглотителя, сможет сказать, способен ли краситель в принципе демонстрировать нелинейный оптический отклик в нужной спектральной области. Далее, выбрав определенный эталон, он сможет оценить относительную эффективность оптического ограничения с целью дальнейшего создания прогностических моделей с минимальным количеством дорогостоящих экспериментов» — рассказывает руководитель проекта, поддержанного Российским научным фондом (РНФ) Александр Толбин, профессор РАН, доктор химических наук, главный научный сотрудник ИФАВ РАН.
Описанная методология открывает серьезные перспективы создания высокопроизводительных устройств для решения социально значимой проблемы – защиты органов зрения и сенсоров оптоэлектронных устройств от поражения лазерным излучением. Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ 21-73-20016 и также находится в рамках одного из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации - безопасность и противодействие терроризму. Создание моделей прогнозирования эффективности ограничения интенсивности лазерного излучения на основе квантово-химических расчетов представляет собой серьезную новизну в области развития современной лазерной техники. «От молекулы – до практического применения» – именно так, одним предложением, можно сформулировать практическую ценность и будущее созданной методологии, которая откроет перспективы создания оптических материалов с заданными характеристиками вот уже очень скоро.
Материалы представленных исследований опубликованы в журнале ACS Omega.
Авторы исследования:
- Толбин Александр Юрьевич, профессор РАН, доктор химических наук, главный научный сотрудник Института физиологически активных веществ Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН;
- Герасименко Александр Юрьевич, доцент Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ», заведующий лабораторией биомедицинских нанотехнологий Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), к.ф.-м.н., доцент
- Савельев Михаил Сергеевич, доцент Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ», ведущий научный сотрудник лаборатории клинических смарт-нанотехнологий Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), к.ф.-м.н.
- Василевский Павел Николаевич, аспирант Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ»