XIII Лазерная школа в Сарове: задачи, разработки, перспективы
В конце сентября в Национальном центре физики и математики прошла очередная XIII Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям, организованная совместно с Институтом лазерно-физических исследований (ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ).
Научный форум собрал более 150 участников — студентов, аспирантов, молодых учёных и инженеров из профильных вузов, НИИ и предприятий. Лазерная школа, по словам организаторов, является детищем ведущих институтов (ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ, ИОФ РАН, ИПФ РАН, ИКИ РАН) и ведущих вузов (МФТИ, МИФИ, НГУ, НГТУ) России, которые проводят исследования и подготовку кадров в области лазерных технологий, а также предприятий Госкорпорации «Росатом». В этом году школа поменяла свою прописку. Если раньше она проходила в основном в самом городе Сарове, то теперь проводится в рамках программы Национального центра физики и математики (НЦФМ) в технопарке «Саров» Нижегородской области.
НЦФМ — амбициозный государственный проект, одобренный президентом Российской Федерации во время визита в Саров в 2020 году. По его программе планируется создать уникальную экспериментальную базу, где будут проводиться серьёзные научно-технические исследования и разработки, которые должны помочь российским учёным и инженерам добиться мирового технологического лидерства.
Слева направо: Александр Михайлович Прохоров (1916 — 2002), Николай Геннадиевич Басов (1922 — 2001), Жорес Иванович Алфёров (1930 — 2019).
Создатели лазера, наши соотечественники Александр Прохоров и Николай Басов совместно с американцем Чарльзом Таунсом в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике за разработки в области квантовой электроники. Эти открытия положили начало развитию лазерной физики в Советском Союзе. Другой наш соотечественник Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию по физике за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов в 2000 году, и эта работа сильно повлияла на развитие элементной базы, в том числе и в области лазерной физики. Поэтому, несмотря на то, что лазерные технологии требуют значительных материальных вложений, Сергей Гаранин, директор ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ, считает, что главное в научных разработках — это люди, их интеллект и компетенции. В подтверждение своих слов он рассказал нам о некоторых проектах, в которых участвовали молодые специалисты, слушатели лазерной школы прошлых лет. Многие из них заслужили не только правительственные награды, но и получили мировое признание.
Принципиальная схема лазерной космической связи. Иллюстрация предоставлена пресс-службой ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ.
В первую очередь это лазерная космическая связь. Преимущество этого вида связи по сравнению с аналогами — на два порядка более высокая скорость передачи данных. Если в обычной космической связи скорость передачи достигает максимум 1 Гбит/с, то в лазерной космической связи скорость 100 Гбит/с сегодня уже не предел, достигнуты рекордные 300 Гбит/с. Благодаря внедрению этой разработки мы сможем распространять и получать информацию из любой точки Земли практически со скоростью света.
Другой проект — совместная разработка с Институтом космических исследований РАН телескопа «Спектр-РГ», орбитальной астрофизической обсерватории, запуск которой состоялся в 2019 году (cм. «Наука и жизнь» № 8 2019, https://www.nkj.ru/archive/articles/36661/). Перед обсерваторией поставлена долгосрочная задача по построению карты Вселенной в рентгеновском и гамма диапазонах.
Сборка космической обсерватории «Спектр-РГ», предназначенной для изучения и картирования видимой Вселенной в рентгеновском диапазоне. Фото предоставлено пресс-службой ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Ещё одна совместная работа Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ с Институтом общей физики РАН позволила создать литотриптор — уникальное медицинское оборудование для неинвазивных (без хирургического вмешательства) операций при мочекаменной и желчнокаменной болезнях. Его эффективное и безопасное действие можно очень наглядно продемонстрировать на примере куриного яйца, с которого лазером полностью снимается скорлупа, а мешочек с жидким содержимым остаётся невредимым. При лазерном воздействии не происходит повреждения живой ткани, нет ожогов. После операции с использованием литотриптора пациента, как правило, выписывают уже на следующий день. В некоторых российских медицинских учреждениях подобное оборудование уже успешно работает. Пока оно довольно громоздко, но разработчики продолжают работу над совершенствованием технологии, чтобы сделать его более компактным, более эффективным и более современным. Среди других разработок для медицинского применения лазерных технологий был упомянут также новый метод оптической биопсии при заболевании молочной железы, который даёт более точную диагностику (90%) по сравнению с маммографией (60–70%).
Литотриптор. Иллюстрация предоставлена пресс-службой ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Институт лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ активно развивает государственно-частное партнёрство, разрабатывая лазерные технологии для станкостроения и приборостроения. На базе института реализовано много успешных проектов по созданию новых типов термоядерных мишеней и термоядерного зажигания.
О международном научно-техническом проекте по термоядерному синтезу ITER рассказал в своей лекции директор «Проектного центра ИТЭР» Анатолий Красильников. В этом проекте Российской Федерации отведена роль по созданию 10 технологических и 15 диагностических систем. При реализации проекта ИТЭР на территории России появились 64 точки технологического роста. Основные российские участники — Госкорпорация «Росатом», НИЦ «Курчатовский институт», Институт прикладной физики РАН и Институт ядерной физики СО РАН.
После лекции мы попросили Анатолия Красильникова рассказать о тех технологиях, которые были созданы попутно и уже нашли применение в промышленности, медицине, других отраслях народного хозяйства. Прежде всего, он отметил создание производства низкотемпературных сверхпроводников (ниобий-титан и ниобий-олово). Размещено оно в Удмуртии, на Чепецком механическом заводе. Кроме проекта ИТЭР эти материалы поставляются для CERN, ещё одного крупного международного проекта. Обсуждается изготовление сверхпроводников как для медицинских томографов, так и для других высокопольных томографов.
Схематическое изображение экспериментального термоядерного реактора ITER. В центре находится токамак — установка, где с помощью магнитного поля удерживается плазма и создаются условия для управляемого термоядерного синтеза. Илл.: Oak Ridge National Laboratory/Flickr.com.
В Медицинском радиологическом научном центре в Обнинске уже внедрено медицинское оборудование, которое используется для протонной и нейтронной терапии. Создано оно на базе алмазных спектрометров нейтронов и высокоэнергетичных атомов. Для атомной энергетики в ИТЭР были разработаны детекторы на базе камер деления. Электроника и IT-технологии, созданные для проекта, находят практическое применение при создании информационно-коммуникационной платформы между институтами, участвующими в развитии исследований по управляемому термоядерному синтезу и разработке российского проекта ТРТ (Токамак с реакторными технологиями).
При работе над проектом были получены перспективные материалы для применения в космической отрасли. Например, супержаропрочное покрытие, разработанное для обшивки передней стенки термоядерного реактора ИТЭР. Все хорошо помнят космический проект «Буран», в котором тоже были использованы жаростойкие материалы в обшивке корабля. Именно они позволили Бурану не сгореть в плотных слоях атмосферы при возвращении из космоса, а успешно приземлиться на аэродроме.
Один из нескольких полноразмерных макетов «Бурана» под номером ОК-МЛ1. Он предназначался для габаритных и весовых примерочных испытаний, и в настоящий момент находится в музее космодрома Байконур. Фото Георгия Долгопского/Wikimedia Commons.
В перерыве между лекциями мы побеседовали с Вадимом Панариным, главным конструктором научно-производственного предприятия «Инжект» (г. Саратов), которое выпускает электронные приборы и компоненты для лазерной индустрии. Он рассказал, как с разработкой новой элементной базы изменилась картина нашего мира. Появились приборы, устройства и механизмы, которые прочно вошли в наш обиход, и сегодня без них мы уже не представляем нашей жизни.
Технология измерения расстояний с помощью лидара происходит путём излучения света лазером и замера времени возвращения отражённого луча. Иллюстрация предоставлена НПП «Инжект».
Например, появились лидары — активные дальномеры оптического диапазона, устройства дополненной реальности. Они определяют местоположение автомобиля на дороге и повышают удобство и безопасность вождения.
Сегодня новые электронные компоненты используются в медицинском лазерном оборудовании. Благодаря этому поставлены на поток офтальмологические операции. Операции при мочекаменной и желчнокаменной болезнях стали эффективнее и безопаснее. А лазерной эпиляцией в косметологии уже никого не удивишь.
Появление лазеров оказало большое влияние и на промышленную металлообработку. Сверление, резку, дуговую сварку теперь могут выполнять лазерные станки с автоматическим управлением. Это точнее, эффективнее и надёжнее, чем традиционная механическая обработка.
Лазерная сварка. Фото предоставлено НПП «Инжект».
И, конечно, область, где без лазерных технологий сейчас никуда — это связь и Интернет. Более подробно о связи, об оптоволокне и его практических применениях нам рассказал Сергей Семёнов, руководитель Научного центра волоконной оптики, подразделения Института общей физики:
«Оптоволоконная связь появилась в начале 70-х годов прошлого столетия и хорошо себя зарекомендовала в дальнейшем при передаче больших объёмов информации на большие расстояния. И в настоящее время альтернативы волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) практически нет. Сегодня в мире выпускается 500 млн км оптоволокна ежегодно. Длина экватора около 40 000 км, поэтому довольно легко представить, какая густая сеть кабелей опутывает Землю там, где есть люди, и есть необходимость обмениваться информацией.
Магистральные сети связи в России. Илл.: comnews.ru.
Второе наиболее массовое применение оптоволокна — это датчики всего того, что только можно измерить: температуры, давления, электрического напряжения, деформации, вибрации и т. д. Их можно размещать на технологических объектах, в опасных для нахождения человека местах. Например, в трансформаторной подстанции с напряжением в миллионы вольт, где нужно контролировать температуру трансформатора. В ядерном ректоре, где высокий радиационный фон. С помощью таких датчиков можно контролировать процесс расплавления тяжёлой нефти в скважинах глубокого залегания. Информацию из таких труднодоступных мест, где есть мощные электрические и магнитные поля, вы никакими другими способами, кроме оптоволоконных датчиков не сможете померить и передать, потому что оптоволокно не чувствительно по отношению к этим полям и не искажает сигнал.
С развитием технологии оптоволоконные датчики становятся всё дешевле, и сегодня они применяются повсеместно. По современным требованиям безопасности датчики должны быть в жилых и промышленных зданиях, в самолетах и автомобилях, контролировать мосты и тоннели... Благодаря изобретению волоконного лазера, лазерные технологии не только нашли широкое применение в промышленности, но и прочно вошли в наш быт. Поэтому стоит рассказать о преимуществах волоконного лазера перед лазером на кристалле. Прежде всего, это устойчивость к механическим воздействиям. В лазере на кристалле есть набор элементов (кристалл, зеркала, линзы), которые должны быть с высокой точностью зафиксированы относительно друг друга. И поэтому, стоит его чуть тряхнуть, и он может разъюстироваться, перестанет работать. В волоконных лазерах такой проблемы нет, они устойчивы к внешним механическим возмущениям. Кроме того, лазеры на кристалле требуют водяного охлаждения, поэтому они более громоздки, в отличие от волоконных лазеров, компоненты которых легко охлаждаются воздухом.»
Лазерные технологии зарекомендовали себя как одни из наиболее перспективных и многообещающих среди современных технологий. В какой бы отрасли промышленности — космосе, авиации, судо- и автомобилестроении, микроэлектронике и т.д. — они не появились, вместе с ними приходит рост производительности труда, энергоэффективность и новый уровень качества выпускаемой продукции. Невозможно представить без лазерных технологий и современную медицину. Пожелаем нашим российским учёным и инженерам больших успехов на этом нелёгком, но творческом пути!
