Каждый, кто хоть что-то понимает в физике, «Звёздные войны» смотрит с улыбкой: лазерный меч так вести себя не может. А те, кто хорошо разбирается в лазерной физике, знают: лазер может и не такое. В Фемтосекундном лазерном центре Объединённого института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) российско-белорусские лазеры не только режут, но и конструируют, переносят, лечат.
Краткость – сестра удачи
Приставка «фемто» означает 10-15. Соответственно, фемтосекунда – секунда в –15-й степени. Понять, что это такое, сложно, легче привести аналогию. Если обычную секунду сократить до фемтосекунды, то время существования всей Вселенной (по современным данным – примерно 13,8 млрд лет) легко уложится в 7,5 минуты.
Впервые лазеры, выдающие импульсы фемтосекундной длительности, появились в начале 1980-х. Тогда это произвело в науке революционный эффект. Сейчас, спустя три десятилетия, фемтосекундная лазерная физика – самостоятельное и чрезвычайно перспективное направление. Об исследованиях и разработках в этой области нам рассказал заведующий отделом лазерной плазмы ОИВТ, руководитель Фемтосекундного лазерного центра доктор физико-математических наук Михаил АГРАНАТ.
– Михаил Борисович, с лазерами более или менее ясно. А чем специфическим может заниматься именно Фемтосекундный лазерный центр?
– Думаю, и с лазерами далеко не всё ясно. Лазерная физика – обширнейший раздел науки, мы только начали его осваивать. И фемтосекундные лазеры занимают в нём стратегически важную позицию, работая над увеличением мощности излучения и уменьшением длительности импульса.
Если вкратце, здесь проводятся исследования прочности материалов под действием ударных нагрузок предельно короткой длительности, сверхбыстрые фазовые превращения и многое другое. Выясняется, как с помощью лазера снимать или наносить нанослой вещества, как создавать наноструктуры на поверхности различных материалов… Ведутся исследования на уровне клеточной медицины.
Фемтосекундный центр начал строиться в 2000 году. Инициатором и активным участником был нынешний президент РАН академик Владимир Фортов. Хотя фемтосекундные лазеры уже были в российских лабораториях, лазерных систем тераваттной мощности тогда в России не было, и Владимир Евгеньевич поставил задачу построить у нас такую систему. Средств на покупку за рубежом комплектующих изделий, необходимых для создания лазера, подобного зарубежным, не хватало. Тогда мы начали строить лазер с активным элементом на основе кристалла хром-форстерит. Он был не особо популярен – его трудно выращивать, но мы смогли обойтись российскими и белорусскими комплектующими изделиями. Так в России в 2002 году появилась первая отечественная фемтосекундная инфракрасная тераваттная лазерная система. У неё до сих пор нет аналогов в мире. С её помощью проведено много исследований. Но самое эффективное и яркое применение хром-форстерит лазерной системы неожиданно для нас появилось в прошлом году. Выяснилось, что только благодаря нашей установке можно получить с помощью преобразования на нелинейном кристалле особые мощные импульсы субпикосекундной длительности.
– Только на вашей установке?
– В Швейцарии есть большая лаборатория, она занимается генерацией терагерцового излучения. Там случайно узнали о нашей установке, написали нам и привезли свой нелинейный кристалл. Мы с ними в 2014 году получили терагерцовое излучение рекордной мощности 5 ГВт, более чем на порядок превосходящее всё, что было до того в мире. По существу, создан мощный фемтосекундный источник терагерцового «лазерного», в кавычках, излучения
– Почему в кавычках?
– Спектральный диапазон не оптический. Наши исследования получили широкий резонанс, приходили письма с просьбой помочь сделать такую же установку. Только в Минобрнауки нас до сих пор особо не замечают. В 2014 году, после того, как мы получили терагерцовый импульс рекордной мощности, подали заявку на конкурс по модернизации уникальных установок, где изложили проблемы и задачи, но грант нам не дали. Немного поддержала только РАН, выделив финансирование из программ президиума. Сейчас Владимир Фортов старается доказать: открыто новое направление, требующее интенсивного развития. С такого источника можно проводить дистанционную диагностику разных материалов, дефектов, скрытых для оптического излучения, и оказывать на вещество силовое воздействие.
– То есть можно воздействовать на объект через стену?
– Да. Но чтобы проводить подобные исследования, нужен нелинейный преобразователь, который строится на основе мозаики из кристаллов. Кристаллы такие выращиваются пока только в Швейцарии и, кажется, в Японии. Стоимость такого преобразователя около 10 млн рублей. Мы пока занимаем лидирующую позицию, но через два года, если ничего не сделаем, нас обойдут. Сейчас средств на покупку такого преобразователя и проведение работ нет.
На острие луча
Эмбрион на экране микроскопа был совсем юным – всего четыре клетки под общей оболочкой. Оболочка сбоку надорвалась и раздвинулась. Я уже знал: работает невидимый лазерный скальпель. Спустя несколько секунд самая маленькая из находившихся внутри клеток пришла в движение и начала продвигаться в сторону разреза. Вскоре она вышла за пределы эмбриона, а примерно через минуту её место заняла другая, «приплывшая» извне. Это сделал уже лазерный пинцет. «Зашивать» эмбрион проводившая операцию сотрудница лаборатории не стала – сам зарастёт.
Когда демонстрация окончилась, доктор Агранат продолжил рассказ:
– Так работают фемто- и наносекундные лазерные диссекторы (скальпели) и лазерные пинцеты в микрохирургии клеточных сфероидов, эмбрионов млекопитающих и других биологических объектов, а также в диагностике заболеваний на клеточном и молекулярном уровнях. Изготовлен лабораторный действующий «фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель». Подобная система производится немецкими фирмами, но с наносекундным диссектором, поэтому наш прибор пока уникален. Кроме того, мы создали компьютерный программный комплекс, позволяющий выполнять автоматизированные микрохирургические процедуры в бесконтактном режиме.
– Чем фемтосекунды лучше наносекунд?
– Когда вещество с линейными размерами 10 микрон нагревается наносекундными импульсами, тепло за эти наносекунды распространяется далеко от зоны воздействия. Если вам нужно сделать маленькую дырочку, наносекундный лазер не подойдёт. А фемто – вполне, поскольку время короткое, тепло не успеет распространиться. Грубо говоря, фемтосекундный лазер на три порядка, в тысячу раз острее, чем наносекундный. Поэтому для клеточной медицины фемтосекундный лазер значительно лучше. Особенно для трансфекции – когда в клетке делается отверстие и в него вводится либо генетический материал, либо лекарства.
– Адресная доставка?
– Да. Получаются резкие границы, что важно не только в биологии. Фемтосекундные лазеры позволяют балансировать лазерные гироскопы, где нужны чрезвычайно тонкие настройки. Мы это уже делали, нужно было снимать нанослой толщиной 10 нанометров и диаметром 1 – 2 микрона. Никакой другой лазер с такой задачей справиться не сможет.
ТАК И СКАЗАЛА
Инна Ильина, старший научный сотрудник лаборатории лазерного воздействия ОИВТ РАН:
– С помощью этой системы мы совместно с сотрудниками биологического факультета МГУ проводим бесконтактную биопсию эмбрионов на различных сроках развития. В частности, лазерным скальпелем делаем в оболочке отверстие размером 5 – 20 микрометров и оптическим пинцетом извлекаем полярное тельце. Оно не очень нужно в дальнейшем для развития эмбриона, но позволяет провести диагностику возможных генетических заболеваний.
– Сейчас с Московским НИИ психиатрии начались работы по разработке методов ранней диагностики психиатрических заболеваний, в частности, шизофрении. Совместно с Центром молекулярной нейробиологии (Гамбург, Германия) начинаются работы по исследованию транспортных процессов в нейронах.
– Ваши установки и сейчас не маленькие, но если дело пойдёт нормально, до каких размеров их можно довести?
– Нашу главную установку мы делали в 2002 году, тогда всё было большое. Сейчас её можно уместить на один лабораторный стол. Габариты большей частью зависят от лазеров накачки, но они сейчас тоже становятся всё меньше. Фемтосекундные лазеры уже делают настольными. Диодная накачка значительно уменьшает размеры.
И пусть качает...
– Вы сказали, что установка собрана не только из российских, но и из белорусских комплектующих. Что же в ней белорусского?
– Очень важные составляющие – так называемые лазеры накачки активных элементов. Они применяются в усилителях и генераторах нашей системы. На постсоветском пространстве такие высокого качества лазеры десять лет назад вообще никто не производил, только белорусская фирма «СОЛАР Лазерные Системы», с которой мы сотрудничаем до сих пор. Сегодня они изготавливают лазеры разных моделей, и все их изделия по-прежнему высокого качества, не уступающие мировому. У них великолепно отлажен сервис, по любой заявке специалист приезжает максимально быстро и так же быстро и качественно всё делает.
– Белорусское качество и в СССР ценилось.
– В 80-х мне приходилось посещать в Белоруссии многие предприятия. Всегда поражала исключительно высокая культура производства, она, как мне кажется, за прошедшее время не только не упала, но даже, в условиях рынка, укрепилась. Конечно, и у нас были и сейчас появляются новые высокотехнологичные производства, но вот такие лазеры белорусы делают лучше. Наверное, есть и другие белорусские изделия, по качеству превосходящие аналогичные российские. В бытовом плане имидж белорусских товаров в России высокий. Например, у меня в семье молочные продукты покупают, в основном, белорусские.
Наш институт в 2010 году вместе с белорусскими учёными подготовил союзную научно-техническую программу «Плазматех». Она предусматривала совместную разработку современных технологий для медицины и техники на основе плазменных источников и фемтосекундных лазеров. Тогда она не прошла, но мы надеемся, что совместными усилиями эту программу воплотим в жизнь.
К СВЕДЕНИЮ
«Плазменные технологии – одно из приоритетных и бурно развивающихся направлений мировой экономики. По данным Министерства образования и науки ФРГ, они обеспечивают более 10 % экономического роста Германии и других индустриально развитых стран, что составляет ежегодно примерно €45 млрд для Германии и €500 млрд для всего мира. На этом фоне вклад плазменных технологий в экономический потенциал России и Беларуси крайне низок. Ежегодный оборот мирового рынка высоких технологий и наукоёмкой продукции в несколько раз превышает оборот рынка сырья, включая нефть, нефтепродукты, газ и древесину, и составляет триллионы долларов США. Из этой суммы 39% приходится на долю США, 30% — Японии, 16% — Германии. Россия представлена более чем скромно — 0,3%, тогда как её доля в фундаментальных науках оценивается в 16%. Об этом писал в своей работе «Научные основы инновационной деятельности» бывший Председатель Президиума НАНБ, а ныне – Председатель Совета Республики Национального Собрания РБ Михаил Мясникович».
Из концепции программы «Плазматех».
– Если предположить, что программа сработает, что мы получим на выходе?
– Охват велик. Основная задача – разработка и коммерциализация перспективных ресурсосберегающих и экологически чистых плазменных, ионно-плазменных и лазерно-плазменных систем и технологий для металлообработки, микро- и оптоэлектроники, авиационной и космической техники, медицины и экологии в интересах развития стран Союзного государства. Конкретно, в области плазменной медицины и лазерно-плазменных биомедицинских технологий предполагалось создание устройств для плазменной стерилизации медицинских изделий и инструментов, разработка методов плазменно-электромагнитного стимулирования агрономических свойств посевного биологического материала, получение нового поколения имплантатов, разработка методов и аппаратуры для лечения поражений поверхностных и слизистых покровов. И это лишь малая часть из того, чем мы предлагали заняться в рамках выполнения программы.
У нас уже есть линейка приборов, интересных и учёным, и медикам. Это, прежде всего, лазерные фемтосекундные скальпели и пинцеты. Мы нашли много потенциальных партнёров в Беларуси. Например, Институт физиологии НАНБ, где хорошо развито направление клеточной медицины. Можно наладить совместное производство, разработать новые полезные технологии в медицине, биологии, микроэлектронике и так далее. Конечно, для решения этих задач необходимо финансирование. Пока что с этим плохо. За прошедшие пять лет у нас накопилось ещё несколько перспективных проектов, которые мы можем предложить на суд Союзного государства. В фундаментальной области у нас тоже есть потенциал для сотрудничества.
Беседовал Валерий ЧУМАКОВ
Фото: Николай МАЛАХИН
Вам по нраву материал — подпишись на наш канал ➕
Чтоб и дальше было так — не забудь поставить знак 👍
