Разработки ФИАН на выставке лазеров «Фотоника-2024»

Делегация Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук приняла участие в 18-й международной специализированной выставке лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики», проходившей в Москве в конце марта.

Выставка объединила представителей предприятий и фирм-производителей лазерной и оптической продукции, научно-исследовательских институтов и ведущих учебных заведений Российской Федерации, Республики Армении и Республики Беларусь. В экспозиции «Фотоника-2024» свою продукцию и услуги также представили более 100 профильных китайских компаний. Информационным партнером мероприятия традиционно выступила редакция научно-технического журнала «Фотоника». Основным организатором выставки стала Лазерная ассоциация, членом которой Физический институт Лебедева РАН является фактически с момента ее основания.

На стенде ФИАН были представлены научно-технологические разработки института в области оптики, лазерных технологий, фотоники и сенсорики, оптической голографии и литографии, микроэлектроники, действующие макеты экспериментальных стендов, образцы прецизионных оптических изделий, лазерных кристаллов и микроструктур. В течение всего времени работы выставки последовательно были представлены разработки отделений центральной площадки Физического института имени Лебедева, Троицкого обособленного подразделения (ТОП ФИАН) и Самарского филиала (СФ ФИАН), в т.ч. совместные разработки разных отделений:

1. Компактный высокогерентный перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором для спектроскопии высокого разрешения (Лаборатория стандартов частоты, Отдел лазерных технологий ТОП ФИАН). Такие лазеры используются в прецизионной спектроскопии и квантовой оптике, в т.ч. для лазерного охлаждения атомов рубидия. Ультрахолодные атомные ансамбли являются мощнейшим инструментом многих современных экспериментов в области квантовых технологий и фундаментальных исследований. Длина волны выставочного макета компактного диодного лазера стабилизируется с помощью ячейки, заполненной парами атомов рубидия, изготовленной по оригинальной технологии. Атомные ячейки применяются в качестве чувствительных элементов в оптических и микроволновых стандартах частоты, квантовых магнитометрах с оптической накачкой, ЯМР гироскопах на изотопах Xe. Экспозиция подготовлена сотрудниками Лаборатории стандартов частоты ТОП ФИАН к.ф.-м.н. В.Л. Величанским, к.ф.-м.н. М.И. Васьковской, В.В. Васильевым, Д.С. Чучеловым; руководитель лаборатории – к.ф.-м.н. С.А. Зибров.  

2. Демонстрационный стенд – макет индикатора на лобовом стекле на базе большеразмерных планарных голографических перископов для мобильных устройств (Лаборатория сверхбыстродействующей оптоэлектроники и обработки информации (СООИ), Отделение квантовой радиофизики им. Н.Г. Басова ФИАН). В лаборатории СООИ ФИАН ведутся исследования по созданию новых технологий и схем компактных дисплеев дополненной реальности с применением широкоапертурных голографических зеркал, внеосевых линз и волноводных голограмм. Особенностью таких голографических элементов является очень большой выходной зрачок оптической системы (размерами 250 на 300 мм), а также вынос зрачка более 700 мм, при том что перископ является планарной конструкцией с толщиной 6 мм. Посетителям выставки были продемонстрированы и другие элементы дисплеев дополненной реальности: планарные когерентные осветители, мультиплексоры зрачка, комплекс программ для расчета и моделирования волноводных голограмм и линз. Экспозиция подготовлена сотрудниками Лаборатории сверхбыстродействующей оптоэлектроники и обработки информации ОКРФ ФИАН; руководитель лаборатории – к.ф.-м.н. А.Н. Путилин.

3. Технология синтеза монокристаллов А2В6, легированных переходными металлами, и образцы кристаллов для лазерной генерации в среднем инфракрасном диапазоне на длинах волн 2–7 мкм (Лаборатория лазеров с катодно-лучевой накачкой, Отдел лазерных технологий ТОП ФИАН). Была представлена экспозиция из выращенных кристаллов и активных лазерных элементов: ZnSe:Cr, CdSe:Cr, CdTe:Fe, CdSe:Fe, ZnSe:Fe. Лазеры на основе таких кристаллов имеют широкие перспективы использования для спектроскопии сложных молекул, экологического контроля атмосферы, медицины, лидаров и других применений. Экспозиция подготовлена ведущим научным сотрудником Лаборатории лазеров с катодно-лучевой накачкой к.т.н. Ю.В. Коростелиным; руководитель лаборатории – д.ф.-м.н. В.И. Козловский.

4. Технология эпитаксиального выращивания гетероструктур А3В5, содержащих сурьму, имеющих барьерно-диодную архитектуру для разработки и создания на их основе матричных фотоприемных устройств для излучения среднего ИК диапазона (Лаборатория новых материалов для ИК фотоники, Отделение физики твердого тела ФИАН). На представленном экспериментальном стенде были продемонстрированы образцы многоканальных фотоприемных устройств, созданных на основе выращенных гетероструктур, и показана чувствительность пикселей фотоприемных устройств к различным источникам теплового излучения. Разрабатываемые в ФИАН фотоприемные устройства имеют широкие перспективы для ряда применений, связанных с тепловизионной техникой, роботизированными системами и спектроскопией. Стенд подготовлен сотрудниками Лаборатории новых материалов для ИК фотоники ФИАН; руководитель лаборатории – д.ф.-м.н. В.С. Кривобок.

5. Оборудование для лабораторного прототипирования методом фотолитографии и сборки ван-дер-ваальсовых гетероструктур было представлено двумя установками: первая – для микромасочной контактной фотолитографии и переноса гетероструктур (графен, hBN, MoS2), а вторая – для проекционной безмасочной литографии (Центр высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН). Первая установка дает возможность быстро литографировать контактный фотошаблон (хром-стекло) на подложку размерами до 2.5 см, выполнить перенос и сборку ван-дер-ваальсовых слоев в гетероструктуры при помощи капли вязкоэластичного полимера. Установка служит для прототипирования на подложках малого размера и незаменима в лабораторных условиях для получения исследуемых образцов двумерных материалов. Вторая установка – рабочая модель фотолитографа-степпера, экспонирующего произвольный топологический рисунок на фоторезист с пространственным разрешением в масштабе единиц микрометров. Она оптимизирована для малого размера подложек (до 1 см) и является простым, недорогим и эффективным инструментом для создания прототипов в области микроэлектроники, квантовой оптики, микрофлюидики и биомедицинских технологий. Экспозиция подготовлена сотрудниками Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН; руководитель лаборатории – д.ф.-м.н. А.Ю. Кунцевич.

6. Выставочный макет медицинского лазерного аппарата на парах меди для микрохирургических операций в области дерматологии, косметологии, гинекологии, онкологии и офтальмологии (Лаборатории медицинской лазерной техники, Отдел Технопарк «Прецизионные оптические технологии» ТОП ФИАН). Аппарат является примером многолетнего опыта разработок и производства высокотехнологичного медицинского лазерного оборудования, а также клинического опыта использования лазерных технологий и имеет регистрационное удостоверение Росздравнадзора. Макет подготовлен сотрудниками Лаборатории медицинской лазерной техники ТОП ФИАН; руководитель лаборатории – к.ф.-м.н. И.В. Пономарев.

7. Технология изготовления и выставочные образцы прецизионных оптических компонент: зеркал, многослойных интерференционных фильтров, просветляющих покрытий (Отдел Технопарк «Прецизионные оптические технологии» ТОП ФИАН). Презентация оптического производства включала в себя технологии изготовления оптических деталей с шероховатостью   ̴ 1 Å, зеркал с малыми потерями (коэффициент отражения  ̴ 99,999%), зеркал с высокой лучевой стойкостью, спектральных фильтров с полушириной   ̴ 3Å и коэффициентом пропускания более 90% и других типов оптических покрытий для широкого спектра оптических изделий: дихроичные зеркала, поляризаторы, чирпированные зеркала, просветляющая оптика, спектральные фильтры, светоделители, металлические зеркала и др. Экспозиция подготовлена сотрудниками Отдела Технопарк «Прецизионные оптические технологии» ТОП ФИАН С.В. Кузьмичем и Г.П. Карповым; руководитель отдела – к.ф.-м.н. А.В. Залыгин.

8. Высокостабильный метановый оптический стандарт частоты (Лаборатория стандартов частоты, Отдел лазерных технологий ТОП ФИАН). Непрерывный He-Ne/СН4 лазер (длина волны 3,39 мкм), стабилизированный по узкой спектральной линии метана, входящий в состав Фотонного СВЧ генератора и задающий «опорную» оптическую частоту для синхронизации частоты повторения импульсов фемтосекундного волоконного лазера (длина волны 1,55 мкм). Благодаря использованию такого лазера стабильность компонент СВЧ гребенки (1-10 ГГц) на выходе фотодетектора, регистрирующего фемтосекундные импульсы, приобретает стабильность частоты He-Ne/CH4 лазера. Предельная кратковременная стабильность оптической частоты опорного He-Ne/CH4 лазера определяется «естественными» частотными шумами излучения, которые находятся на уровне ≈ 0,1 Гц/√Гц (в относительных единицах ≈ 10^(-15) /√Гц). Это позволяет снизить на 1–2 порядка кратковременную нестабильность частоты и уровень фазовых шумов СВЧ гармоник Фотонного СВЧ генератора по сравнению с водородными мазерами, кварцевыми и оптоэлектронными генераторами. Применяемые отечественные технологии, разработанные в сотрудничестве с высокотехнологическими компаниями-арендаторами, многолетними партнерами ФИАН ООО «Авеста» и ООО «Флавт», обеспечивают устойчивую автономную работу лазера при сохранении параметров в течение не менее 5 лет. Экспозиция подготовлена сотрудниками лаборатории стандартов частоты Отдела лазерных технологий ТОП ФИАН; руководитель отдела – д.ф.-м.н. М.А. Губин.

9. Техника трехмерной флуоресцентной микроскопии с использованием адаптивной оптики (Отдел перспективной фотоники и сенсорики ТОП ФИАН и Лаборатория когерентной оптики СФ ФИАН в коллаборации с Институтом спектроскопии РАН и Московским педагогическим государственным университетом). Флуоресцентная наноскопия – оптическая спектроскопия и микроскопия сверхвысокого пространственного разрешения с локализацией одиночных светящихся меток (молекул, белков, квантовых точек) – относится к новым перспективным методам исследования и диагностики материалов. На стенде была представлена схема установки разработанного 3D наноскопа. Высокоэффективный дифракционный оптический элемент, формирующий биспиральную функцию рассеяния точечного излучателя, разработан в лаборатории когерентной оптики СФ ФИАН на основе оптики спиральных пучков. Экспериментальная установка ЗD флуоресцентного наноскопа была создана в межинститутской научной группе по лазерно-селективной спектроскопии и наноскопии одиночных молекул, конденсированных сред и наноструктур под руководством д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН А.В. Наумова. Пространственное разрешение созданной установки на 1.5 порядка превосходит дифракционный предел и позволяет определять три пространственные координаты люминесцирующего излучателя с точностью порядка 10 нм. Такие системы могут найти применение для решения различных задач микро- и нанодиагностики: трекинга отдельных частиц, измерения локальных микрореологических параметров среды, определения структуры нанопор в мембранных фильтрах, исследования взаимодействия наноструктур с живыми клетками. Экспозиция подготовлена сотрудниками Отдела перспективной фотоники и сенсорики ТОП ФИАН (руководитель отдела – чл.-корр. РАН А.В. Наумов) и Лаборатории когерентной оптики СФ ФИАН (руководитель лаборатории – д.ф.-м.н. С.П. Котова).

10. Генератор вихревых световых полей на основе жидкокристаллического сегнетоэлектрика (Лаборатория когерентной оптики СФ ФИАН и Лаборатория оптоэлектронных процессоров Отделения квантовой радиофизики им. Н.Г. Басова ФИАН). Была представлена впервые созданная электроуправляемая секторная спиральная фазовая пластинка на основе спиральной наноструктуры сегнетоэлектрического жидкого кристалла, работающего как электрооптическая среда пространственно-временного модулятора света. Данное устройство обеспечивает формирование и реконфигурацию кольцеобразных вихревых световых полей с топологическим зарядом от 1 до 4. Время переключения формируемых полей определяется временем перестройки слоя ЖК при подаче напряжения, которое составляет 150 микросекунд, обеспечивая частоту перестройки до 3 кГц, что на один-два порядка больше, чем у известных ЖК, используемых в современных пространственно-временных фазовых модуляторах света. Областью возможного применения высокочастотного генератора вихревых полей могут быть лазерные пинцеты нового поколения и системы оптической связи. Экспозиция подготовлена сотрудниками Лаборатории когерентной оптики СФ ФИАН; руководитель лаборатории – д.ф.-м.н. С.П. Котова.

11. Технология лазерной термообработки инструментальных, конструкционных сталей и твердых сплавов (Лаборатория лазерно-индуцированных процессов СФ ФИАН). Представлены результаты многолетних исследований структуры и фазового состава зоны лазерной обработки инструментальных, в т.ч. теплостойких, а также конструкционных сталей и вольфрамокобальтовых твердых сплавов. Впервые получены данные по строению и толщине оксидов поверхности многокомпонентных сплавов на основе железа после лазерной обработки. Эти результаты положены в основу разработки технологических процессов лазерного упрочнения. Изменения структуры и фазового состава в зоне лазерного воздействия, образование многослойных оксидных структур, для твердых сплавов процессы дополнительного растворения вольфрама в кобальтовой фазе и обогащения поверхности зоны обработки кобальтом служат основными механизмами повышения эксплуатационных показателей упрочняемых изделий. Для оптимизации режимов обработки сотрудники лаборатории предложили использовать моделирование методом конечных элементов. Разработанные механизмы упрочнения реализованы на практике для металлообрабатывающего инструмента конкретного назначения и номенклатуры. Экспозиция подготовлена сотрудниками лаборатории лазерно-индуцированных процессов СФ ФИАН; руководитель лаборатории – д.т.н. С.И. Яресько.

12. Лазерная ударная обработка алюминиевых сплавов (Лаборатория лазерно-индуцированных процессов СФ ФИАН). В презентации представлены результаты исследований по разработке физико-химических основ технологии лазерной ударной обработки (ЛУО) конструкционных алюминиевых сплавов. Отмечены ее преимущества перед другими методами упрочнения пластической деформацией: большая глубина упрочненного слоя, минимальное снижение качества поверхности. Представлены схема и внешний вид экспериментальной установки, позволяющие проводить обработку образцов при различных условиях и исследовать процессы формирования ударных волн при ЛУО. Показаны результаты обработки конструкционного алюминиевого сплава АМг6 – величины остаточных напряжений на поверхности образца в зависимости от режимов ЛУО и распределение остаточных напряжений по глубине материала. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологии ЛУО изделий из алюминиевых сплавов для увеличения их прочностных характеристик, коррозионной и износостойкости. Экспозиция подготовлена сотрудниками Лаборатории лазерно-индуцированных процессов СФ ФИАН; руководитель лаборатории – д.т.н. С.И. Яресько.

Помимо презентации разработок на стенде сотрудники ФИАН приняли активное участие в мероприятиях научной и деловой программы выставки. На заседании научно-практической конференции ХII Конгресса технологической платформы «Фотоника» в секции «Голографические технологии» с докладом «Направления развития технологий дисплеев дополненной и смешанной реальности» выступил к.ф.-м.н. А.Н. Путилин (СООИ ФИАН). Сотрудники Лаборатории лазерной нанофизики и биомедицины, Центра лазерных и нелинейно-оптических технологий, Отделения квантовой радиофизики им. Н.Г. Басова ФИАН выступили с докладами на секциях «Фотонные интегральные схемы» – к.т.н. М.С. Ковалев «Интегральная фотоника ближнего и среднего инфракрасного диапазона с локально-интегрированными детекторами / излучателями на сверхлегированном кремнии: перспективы» и «Фотоника в медицине и науках о жизни» – Е.Н. Римская «Мультиспектральная дифференциальная диагностика злокачественных новообразований кожи in vitro на основе комбинационного рассеяния света». Одним из ключевых заседаний конференции стала секция «Квантовые технологии», где были представлены наиболее значимые результаты, полученные при определяющем участии сразу нескольких подразделений ФИАН: «Квантовые симуляторы на атомах тулия в оптических решетках» (к.ф.-м.н. А.В. Акимов, руководитель совместной Лаборатории квантовых симуляторов и интегрированной фотоники ФИАН и RQC) и «Реализация алгоритмов на ионных квантовых компьютерах» (к.ф.-м.н. И.А. Семериков, н.с. Лаборатории «Оптика сложных квантовых систем», Отделение оптики ФИАН).

В предпоследний день выставки состоялось расширенное заседание Научного совета по фотонике Отделения физических наук РАН (председатель комиссии – чл.-корр. РАН С.В. Гарнов, заместитель председателя – чл.-корр. РАН Н.Н. Колачевский), организованное при активном участии сотрудников ФИАН. Программа заседания включала в себя обсуждение важнейших результатов в области фотоники, полученных в 2023 году в научных институтах, находящихся под научно-методическим руководством ОФН РАН.

Были заслушаны доклады представителей научных коллективов из разных городов России: Москва (ФИАН, ИСАН, ФНИЦ ИОФ РАН, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника РАН», НИЦ «Курчатовский институт»), Санкт-Петербург (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН), Черноголовка (ИФТТ РАН), Нижний Новгород (ИПФ РАН), Томск (ИОА СО РАН), Новосибирск (ИАиЭ СО РАН, ИЛФ СО РАН). Участники семинара были награждены почетными дипломами Отделения физических наук РАН.

Сотрудниками ФИАН были представлены доклады:

1. «Новые способы синтеза фазовых элементов для манипулирования ансамблями микрообъектов» С.П. Котова, Н.Н. Лосевский, А.М. Майорова, С.А. Самагин, Д.В. Прокопова, Д.А. Иконников, С.А. Вьюнышева, А.М. Вьюнышев (Самарский филиал ФИАН, ИФ СО РАН).

2. «Широкоапертурный субмегагерцовый жидкокристаллический электрооптический модулятор видимого диапазона излучения» Е.П. Пожидаев, А.В. Кузнецов, А.В. Казначеев, С.И. Торгова, Т.П. Ткаченко (ФИАН).

3. «Новый метод ранней диагностики рака кожи на основе мультиспектральной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света» Е.Н. Римская, И.Н. Сараева, С.Н. Шелыгина, А.Б. Тимурзиева, К.Г. Кудрин, Е.В. Переведенцева, Н.Н. Мельник, С.И. Кудряшов (ФИАН, НИИ общего здоровья им. Н.А. Семашко, 1-й МГМУ им. И.М. Сеченова).

4. «4-кубитный ионный квантовый вычислитель с оптически адресуемыми кудитами», А.С. Борисенко, И.В. Заливако, И.А. Семериков, Н.В. Семенин, П.Л. Сидоров, К.Ю. Хабарова, Н.Н. Колачевский (ФИАН).

Участники выставки «Фотоника-2024» получили возможность ознакомиться с основными направлениями подготовки научных кадров в аспирантуре ФИАН. По итогам презентации научных достижений и технологических разработок коллектив ФИАН был награжден дипломом 18-й международной специализированной выставки лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики».

Комментарий руководителя ТОП ФИАН, чл.-корр. РАН А.В. Наумова о выставке «Фотоника-2024»:

– Для ФИАН фотоника и как научное направление, и как производственная отрасль традиционно является одной из приоритетных тем. Начиная с работ академиков П.Н. Лебедева и С.И. Вавилова фундаментальная оптика и спектроскопия, оптическое приборостроение и смежные технологии занимают одно из центральных мест в научной работе института. Великие имена фиановских нобелевских лауреатов, многих членов Академии наук – сотрудников ФИАН так или иначе связаны с развитием фотоники. Здесь необходимо отметить родившиеся в стенах института лазерные технологии, получившие начало с работ академиков Н.Г. Басова и А.М. Прохорова. В настоящее время фотоника является и стратегически важным направлением работы ФИАН и связующим звеном как различных подразделений института друг с другом, так и с ведущими научными центрами и индустриальными площадками в России и за рубежом.

Особенно важно не только научное содержание выставки, но и ее ярко выраженная инновационная направленность. Такая ориентированность на практический результат, как отмечает директор ФИАН, член-корреспондент РАН, член Президиума РАН Николай Николаевич Колачевский, становится сейчас одной из ключевых задач работы института и стратегии научно-технологического развития страны в целом. Учитывая это, ФИАН традиционно уделяет большое внимание представительству на "Фотонике", которая за время, прошедшее с первой выставки в 2006 году, стала главной коммуникационной площадкой лазерно-оптической отрасли России, получила признание российского и международного сообщества профессионалов фотоники, смежных технологий и представителей реального сектора экономики.

Активное участие в выставке традиционно приняла делегация Троицкого обособленного подразделения ФИАН (руководитель – чл.-корр. РАН Наумов Андрей Витальевич, ученый секретарь – к.ф.-м.н. Каримуллин Камиль Равкатович). Само появление этого подразделения связано с решением академика Н.Г. Басова развивать технологическую площадку для обеспечения ускоренного трансфера технологий в области лазерной физики и оптико-спектрального приборостроения. В настоящее время в ТОП ФИАН ведутся фундаментальные и опытно-конструкторские работы в области прецизионной оптики, полупроводниковых лазеров, оптических стандартов частоты, опто- и микроэлектроники, квантовых технологий, медицинской фотоники. Уровень технологической готовности многих результатов позволяет перейти к промышленному производству аппаратуры. Партнерские отношения установлены с ведущими организациями, работающими в области фотоники, заинтересованными в разрабатываемых технологиях и продукции: МГУ им. М.В. Ломоносова, РНЦХ им. Б.В. Петровского, НИЦ Курчатовский институт, ОИЯИ, МИФИ, МФТИ, МПГУ, ИСАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.

ФИАН особое внимание уделяет вопросам подготовки кадров для отрасли, установив устойчивые взаимоотношения с ведущими вузами страны, как в формате работы базовых кафедр, так и в рамках прямых договоров о сотрудничестве: МИФИ, МФТИ, МГУ им. М.В. Ломоносова, ВШЭ, МПГУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, КФУ. Молодые ученые, студенты и аспиранты приняли активное участие в работе выставки, представляя ФИАН и партнерские организации.

Работа всей отрасли фотоники и соответствующих научных направлений находит отражение в научно-технической периодике, издаваемой под эгидой ФИАН и при непосредственном участии сотрудников института, в т.ч. в журналах «Квантовая электроника» (главный редактор – чл.-корр. РАН Н.Н. Колачевский), «Успехи физических наук» (учредитель – Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, главный редактор – академик РАН О.В. Руденко), «Известия РАН. Серия физическая» (главный редактор – чл.-корр. РАН Д.Р. Хохлов), «Фотоника» (Photonics Russia) (главный научный редактор – чл.-корр. РАН А.В. Наумов), «Письма в ЖЭТФ» (главный редактор – чл.-корр. РАН В.М. Пудалов), «Краткие сообщения по физике ФИАН» (главный редактор – чл.-корр. РАН Н.Н. Колачевский).

Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН

Источник фото: ФИАН