Самый яркий лазер и лечение светом: какими разработками могут похвастаться нижегородские физики
ИПФ РАН проводит исследования по ряду направлений современной физики
Самый яркий лазер и лечение светом: какими разработками могут похвастаться нижегородские физики
ИПФ РАН проводит исследования по ряду направлений современной физики
Институт прикладной физики им. Гапонова-Грехова РАН в Нижнем Новгороде был основан в апреле 1977 года. За почти 50-летнюю историю он стал одним из крупных академических центров в России, который проводит исследования по ряду направлений современной физики. Это электроника, геофизика, электродинамика плазмы, лазерная физика и другие.
Как ученые готовят стартовую систему для мегасайенс проекта XCELS? Реально ли узнать, в каком состоянии находятся ткани организма человека без проведения операции? Обо всем этом нам рассказали – и показали – сами исследователи в рамках проекта «Homo Sapiens нижегородский».
Как ученые готовят стартовую систему для мегасайенс проекта XCELS? Реально ли узнать, в каком состоянии находятся ткани организма человека без проведения операции? Обо всем этом нам рассказали – и показали – сами исследователи в рамках проекта «Homo Sapiens нижегородский».
ЛАБОРАТОРИЯ БИОФОТОНИКИ
Лечение светом
Одним из перспективных направлений науки сегодня является биофотоника. Она изучает, как взаимодействует свет (фотоны) с биологическими объектами – клетками, тканями и организмами. С помощью методов биофотоники можно воздействовать светом на ткань, например, для ее лечения или по рассеянному тканью свету получать информацию о состоянии организма.
На основе принципов биофотоники нижегородские физики разрабатывают различные технологии. Среди них оптическая когерентная томография (ОКТ) – метод диагностики, который позволяет получить изображение внутренней структуры кожи на глубине до 1 мм. Этот метод разрабатывается в институте с 1993 года, и работы по его совершенствованию продолжаются по сей день.
Принцип работы ОКТ похож на УЗИ, однако вместо ультразвукового излучения используется свет, который проникает под кожу, отражается в ней, а затем возвращается обратно в зонд. Так ученые получают трехмерное изображение внутренней структуры биологических тканей.
«Пространственное разрешение, которого можно достичь с помощью метода ОКТ, гораздо выше, чем для УЗИ. То есть, если в случае УЗИ пространственное разрешение ограничено, наверное, 50 микронами, то оптическая когерентная томография может позволить получить изображение с пространственным разрешением порядка 5 микрон», – пояснил старший научный сотрудник лаборатории биофотоники ИПФ РАН Михаил Кириллин.
При этом исследовать с помощью такой установки можно не только кожу, но и внутренние органы человека. Аппарат оборудован зондом продолговатой формы для того, чтобы можно было изучать слизистые оболочки ротовой полости и внутренних органов. В своих разных модификациях приборы ОКТ нижегородской разработки активно применяются в ряде клиник, в том числе в областной больнице им. Семашко, Университетской клинике ПИМУ, учреждениях ПОМЦ ФМБА России.
Одним из перспективных направлений науки сегодня является биофотоника. Она изучает, как взаимодействует свет (фотоны) с биологическими объектами – клетками, тканями и организмами. С помощью методов биофотоники можно воздействовать светом на ткань, например, для ее лечения или по рассеянному тканью свету получать информацию о состоянии организма.
На основе принципов биофотоники нижегородские физики разрабатывают различные технологии. Среди них оптическая когерентная томография (ОКТ) – метод диагностики, который позволяет получить изображение внутренней структуры кожи на глубине до 1 мм. Этот метод разрабатывается в институте с 1993 года, и работы по его совершенствованию продолжаются по сей день.
Принцип работы ОКТ похож на УЗИ, однако вместо ультразвукового излучения используется свет, который проникает под кожу, отражается в ней, а затем возвращается обратно в зонд. Так ученые получают трехмерное изображение внутренней структуры биологических тканей.
«Пространственное разрешение, которого можно достичь с помощью метода ОКТ, гораздо выше, чем для УЗИ. То есть, если в случае УЗИ пространственное разрешение ограничено, наверное, 50 микронами, то оптическая когерентная томография может позволить получить изображение с пространственным разрешением порядка 5 микрон», – пояснил старший научный сотрудник лаборатории биофотоники ИПФ РАН Михаил Кириллин.
При этом исследовать с помощью такой установки можно не только кожу, но и внутренние органы человека. Аппарат оборудован зондом продолговатой формы для того, чтобы можно было изучать слизистые оболочки ротовой полости и внутренних органов. В своих разных модификациях приборы ОКТ нижегородской разработки активно применяются в ряде клиник, в том числе в областной больнице им. Семашко, Университетской клинике ПИМУ, учреждениях ПОМЦ ФМБА России.
ОКТ позволяет заглянуть внутрь организма и узнать о его состоянии
ОКТ позволяет заглянуть внутрь организма и узнать о его состоянии
Второй метод оптической диагностики – оптическая диффузионная спектроскопия. Она показывает, какие вещества содержатся в коже и в каком количестве: кровь, вода, меланин и др.
«Принцип действия этой системы таков, что мы облучаем биоткань широкополосным, то есть белым, излучением, фактически всеми видами волн. Затем регистрируем спектр отраженного излучения и по форме этого спектра пытаемся понять, какие же вещества и в какой концентрации находятся внутри исследованного участка ткани», – рассказал Михаил Кириллин.
Вся установка, которую своими силами разработали физики, состоит из трех блоков: это источник излучения, блок детектора со спектрометром и зонд.
«Принцип действия этой системы таков, что мы облучаем биоткань широкополосным, то есть белым, излучением, фактически всеми видами волн. Затем регистрируем спектр отраженного излучения и по форме этого спектра пытаемся понять, какие же вещества и в какой концентрации находятся внутри исследованного участка ткани», – рассказал Михаил Кириллин.
Вся установка, которую своими силами разработали физики, состоит из трех блоков: это источник излучения, блок детектора со спектрометром и зонд.
Сейчас аппарат применяется для работы в медицинских центрах и больницах
Сейчас аппарат применяется для работы в медицинских центрах и больницах
В лаборатории биофотоники также активно занимаются сопровождением фотодинамической терапии. Многим этот метод лечения известен благодаря косметологии. Он помогает бороться со старением кожи, дерматологическими заболеваниями и различными несовершенствами.
Применяется фотодинамическая терапия и в лечении онкологии – особенно в части опухолей трудных локализаций, например, на лице.
Как это работает? В основе лечения данным методом лежит использование фотоактивируемых лекарств. Препарат вводят внутривенно или же наносят поверхностно, а затем облучают светом, тем самым активируя его. В результате начинается реакция, во время которой патологические клетки умирают.
При этом такие лекарства обладают свойством флуоресцировать, то есть могут поглощать свет одной волны и излучать его на другой. Благодаря такому свойству – ученые прозвали его «флуоресцентным имиджингом» – с его помощью можно отслеживать, достигло ли введенное лекарство «адресата» в организме.
Применяется фотодинамическая терапия и в лечении онкологии – особенно в части опухолей трудных локализаций, например, на лице.
Как это работает? В основе лечения данным методом лежит использование фотоактивируемых лекарств. Препарат вводят внутривенно или же наносят поверхностно, а затем облучают светом, тем самым активируя его. В результате начинается реакция, во время которой патологические клетки умирают.
При этом такие лекарства обладают свойством флуоресцировать, то есть могут поглощать свет одной волны и излучать его на другой. Благодаря такому свойству – ученые прозвали его «флуоресцентным имиджингом» – с его помощью можно отслеживать, достигло ли введенное лекарство «адресата» в организме.
Фотодинамическая терапия многим известна благодаря косметологическим процедурам
Фотодинамическая терапия многим известна благодаря косметологическим процедурам
ЛАБОРАТОРИЯ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ЛАБОРАТОРИЯ ВЫСОКОЧУВСТВИ-
ТЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Выглядит как торт «Наполеон»
Технологии оптической когерентной томографии развиваются и в другой лаборатории ИПФ РАН -высокочувствительных оптических измерений — здесь усилия учёных сконцентрированы, прежде всего, на создании самих приборов. С их помощью можно проводить диагностические обследования и увидеть, как выглядят органы, внутренние ткани и даже мозг. Это позволяет отслеживать, как протекает заболевание, есть ли онкология, в каком состоянии находятся сосуды — все это будет намного более подробно, чем на УЗИ.
«Мы можем построить изображение биологического объекта как бы в поперечном срезе. То есть мы могли бы взять скальпель, отрезать кусочек кожи, слизистой или еще чего-нибудь, нарезать его на слои, положить под микроскоп, посмотреть. ОКТ делает то же самое, но без скальпеля. Кусочек ткани остается на человеке. И в этом смысле мы можем получить поперечный срез какой-то ткани на небольшую глубину, порядка миллиметра, может быть, двух, совершенно не повреждая ее», — рассказал заместитель заведующего отделом нанооптики и высокочувствительных оптических измерений ИПФ РАН Павел Шилягин.
Технологии оптической когерентной томографии развиваются и в другой лаборатории ИПФ РАН -высокочувствительных оптических измерений — здесь усилия учёных сконцентрированы, прежде всего, на создании самих приборов. С их помощью можно проводить диагностические обследования и увидеть, как выглядят органы, внутренние ткани и даже мозг. Это позволяет отслеживать, как протекает заболевание, есть ли онкология, в каком состоянии находятся сосуды — все это будет намного более подробно, чем на УЗИ.
«Мы можем построить изображение биологического объекта как бы в поперечном срезе. То есть мы могли бы взять скальпель, отрезать кусочек кожи, слизистой или еще чего-нибудь, нарезать его на слои, положить под микроскоп, посмотреть. ОКТ делает то же самое, но без скальпеля. Кусочек ткани остается на человеке. И в этом смысле мы можем получить поперечный срез какой-то ткани на небольшую глубину, порядка миллиметра, может быть, двух, совершенно не повреждая ее», — рассказал заместитель заведующего отделом нанооптики и высокочувствительных оптических измерений ИПФ РАН Павел Шилягин.
С помощью прибора ОКТ можно увидеть, как выглядят органы и внутренние ткани человека
С помощью прибора ОКТ можно увидеть, как выглядят органы и внутренние ткани человека
ЛАБОРАТОРИЯ ЛАЗЕРОВ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Самый яркий лазер в мире
Нижегородские физики работают и над созданием уникального источника света с мощностью, в сотни раз превосходящей имеющиеся сейчас лазеры. Речь идет о проекте XCELS класса «Мегасайнс». Это суперлазер отечественной разработки с пиковой мощностью, достигающей 600 петаватт (1 ПВт=1015 Вт), к макетированию которого уже приступили нижегородские физики.
В основе разработки – петаваттный лазер PEARL («ПЕРЛ») — в начале 2000-х он был одним из самых мощных в мире. Его создали в ИПФ РАН на основе принципа параметрического усиления лазерных импульсов, который считается «революционным открытием» в области лазерной физики и является самым перспективным при создании лазерных установок в сотни ПВт.
Ученые хотят сфокусировать несколько лучей лазера XCELS в одной точке и добиться максимальной интенсивности излучения при его воздействии на вещество и даже на вакуум. Впоследствии результаты работы с таким лазером приведут к новым открытиям в еще неизведанной области физики.
«Основная задача нашей стартовой системы – как подготовка излучения длительностью всего лишь в несколько осцилляций электромагнитного поля, так и подготовка высокоэнергетических импульсов для дальнейшего их использования уже в крупномасштабном проекте. То есть это будет фактически источником света для всего проекта XCELS», – подчеркнул заведующий лабораторией лазеров с экстремальными параметрами ИПФ РАН Иван Мухин.
В стартовую систему XCELS входит источник света в виде многоканального лазера, три оптических выхода, преобразователи и измерители фемтосекундных импульсов (1 фемтосекунда = 10-15 с), устройство для профилирования лазерных импульсов во времени, несколько усилителей. Все работает в единой системе в автоматическом режиме.
Разработкой макета стартовой системы XCELS физики занимаются с 2022 года. Вначале была проведена большая теоретическая работа, затем непосредственно началось тестирование оборудования, а к следующему году ученые намерены закончить все исследования и подготовить прототип системы для более крупных установок.
Нижегородские физики работают и над созданием уникального источника света с мощностью, в сотни раз превосходящей имеющиеся сейчас лазеры. Речь идет о проекте XCELS класса «Мегасайнс». Это суперлазер отечественной разработки с пиковой мощностью, достигающей 600 петаватт (1 ПВт=1015 Вт), к макетированию которого уже приступили нижегородские физики.
В основе разработки – петаваттный лазер PEARL («ПЕРЛ») — в начале 2000-х он был одним из самых мощных в мире. Его создали в ИПФ РАН на основе принципа параметрического усиления лазерных импульсов, который считается «революционным открытием» в области лазерной физики и является самым перспективным при создании лазерных установок в сотни ПВт.
Ученые хотят сфокусировать несколько лучей лазера XCELS в одной точке и добиться максимальной интенсивности излучения при его воздействии на вещество и даже на вакуум. Впоследствии результаты работы с таким лазером приведут к новым открытиям в еще неизведанной области физики.
«Основная задача нашей стартовой системы – как подготовка излучения длительностью всего лишь в несколько осцилляций электромагнитного поля, так и подготовка высокоэнергетических импульсов для дальнейшего их использования уже в крупномасштабном проекте. То есть это будет фактически источником света для всего проекта XCELS», – подчеркнул заведующий лабораторией лазеров с экстремальными параметрами ИПФ РАН Иван Мухин.
В стартовую систему XCELS входит источник света в виде многоканального лазера, три оптических выхода, преобразователи и измерители фемтосекундных импульсов (1 фемтосекунда = 10-15 с), устройство для профилирования лазерных импульсов во времени, несколько усилителей. Все работает в единой системе в автоматическом режиме.
Разработкой макета стартовой системы XCELS физики занимаются с 2022 года. Вначале была проведена большая теоретическая работа, затем непосредственно началось тестирование оборудования, а к следующему году ученые намерены закончить все исследования и подготовить прототип системы для более крупных установок.
ЛАБОРАТОРИЯ ЛАЗЕРОВ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Ученые из этих лабораторий разрабатывают генераторы оптических частотных гребенок на основе микрорезонаторов, то есть «ловушек для света».
Что такое оптическая частотная гребенка? Это лазерное излучение, которое содержит большое количество частот с равными интервалами между ними. Разработкой источников на основе микрорезонаторов занимаются физики ИПФ РАН. Сейчас по порядку объясним, что это такое.
Интернет, которым мы ежедневно пользуемся, работает в телекоммуникационном C-диапазоне, который составляют длины волн от 1530 до 1565 нанометров.
Когда такого диапазона оказывается недостаточно, то есть требуется больше каналов для передачи данных, то применяется L-диапазон с длиной волны от 1565 до 1625 нанометров. Зачастую он используется для передачи данных по защищенным каналам, в частности, в банковской сфере.
Однако для работы в других диапазонах уже нельзя использовать стандартные технологии. Тогда ученые решили обратиться к тем самым микрорезонаторам – ловушкам для света в виде крохотных шариков на торце оптоволокна, которые помогают получить оптическую частотную гребенку не только в C- и L-диапазонах, но и за их пределами.
Микрорезонаторы изготавливают в этих же лабораториях. Для этого ученые берут оптоволокно и с помощью аппарата для сварки оптических волокон оплавляют его торец. Под действием поверхностного натяжения на торце формируется стеклянный шарик, внутри которого распространяется свет. При таком распространении света может происходить генерация новых длин волн, то есть, формирование частотной гребенки.
Что такое оптическая частотная гребенка? Это лазерное излучение, которое содержит большое количество частот с равными интервалами между ними. Разработкой источников на основе микрорезонаторов занимаются физики ИПФ РАН. Сейчас по порядку объясним, что это такое.
Интернет, которым мы ежедневно пользуемся, работает в телекоммуникационном C-диапазоне, который составляют длины волн от 1530 до 1565 нанометров.
Когда такого диапазона оказывается недостаточно, то есть требуется больше каналов для передачи данных, то применяется L-диапазон с длиной волны от 1565 до 1625 нанометров. Зачастую он используется для передачи данных по защищенным каналам, в частности, в банковской сфере.
Однако для работы в других диапазонах уже нельзя использовать стандартные технологии. Тогда ученые решили обратиться к тем самым микрорезонаторам – ловушкам для света в виде крохотных шариков на торце оптоволокна, которые помогают получить оптическую частотную гребенку не только в C- и L-диапазонах, но и за их пределами.
Микрорезонаторы изготавливают в этих же лабораториях. Для этого ученые берут оптоволокно и с помощью аппарата для сварки оптических волокон оплавляют его торец. Под действием поверхностного натяжения на торце формируется стеклянный шарик, внутри которого распространяется свет. При таком распространении света может происходить генерация новых длин волн, то есть, формирование частотной гребенки.
«В дата-центрах, в центрах обработки данных, нужно использовать компактные устройства с низким энергопотреблением и с малым выделением тепловой мощности. Вот микрорезонаторы отлично удовлетворяют таким потребностям. С их помощью мы можем сгенерировать оптическую частотную гребенку – конечно, она будет малой мощности, но нам и не требуется передавать это излучение на десятки или сотни километров, а достаточно в пределах одной комнаты», – подчеркнула ведущий научный сотрудник ИПФ РАН Елена Анашкина.
Такие оптические гребенки имеют массу преимуществ: они небольшого размера, потребляют мало энергии и могут применяться в сенсорах или в телекоммуникациях.
Такие оптические гребенки имеют массу преимуществ: они небольшого размера, потребляют мало энергии и могут применяться в сенсорах или в телекоммуникациях.
В этом перчаточном боксе создаются микрорезонаторы
В этом перчаточном боксе создаются микрорезонаторы
По итогу работы исследователи должны будут экспериментально продемонстрировать оптические частотные гребенки во всем телекоммуникационном диапазоне. Предварительные успехи в этом исследовании уже достигнуты. Исследование выполнено в рамках гранта № 20-72-10188-П Российского научного фонда.
Ранее на сайте pravda-nn.ru сообщалось, что ученые ИПФ РАН проводят различные исследования, результаты которых ложатся в основу уникальных разработок, применяемых во всем мире. Среди них – гиротроны, мощные лазерные системы, средства гидроакустической метрологии.