Участник ITMO Fellowship – о будущем лазерных технологий

Дата публикации: 09.02.2016

Сотрудник МГУ им. М.В. Ломоносова и Физического института им. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Сергей Кудряшов несколько лет провел в университетах США, изучая лазерные технологии и обучая студентов базовой физике. Сейчас ученый сотрудничает с Университетом ИТМО в рамках программы ITMO Fellowship, исследуя возможности применения лазеров в области материаловедения и физики ударных волн, нанотехнологий и фотоники наноматериалов, а также интегральной микро-оптики.

Чем вы занимаетесь в Университете ИТМО?

На кафедре лазерных технологий и лазерной техники, где я работаю, создана прекрасная творческая атмосфера, необходимая для успешных исследований: есть и грамотные, «жадные до работы» молодые люди, и современное оборудование. Мы активно сотрудничаем с постдоками и аспирантами кафедры, занимаясь фундаментальными исследованиями в области лазерной нано- и микроабляции – модификации и удаления вещества. Во время этого процесса кратковременное лазерное излучение воздействует на участок тоньше человеческого волоса, и в результате получается экстремальное состояние материи с температурой выше температуры Солнца и давлением выше давления в глубинах Земли. Несмотря на кажущийся экзотический характер этих явлений, они связаны с массой интересных и перспективных применений в машиностроении, оборонной технике, биомедицине.

Расскажите подробнее о прикладном значении этих исследований.

Используя современные исследовательские фемтосекундные лазеры размером с бытовой пылесос, можно направить их импульсы на поверхность материала и создать на ней слой толщиной в сотни атомов, превращенный в горячую плазму. Эта плазма практически сразу взрывается, ударяя по поверхности давлением отдачи, сравнимым с миллионом давлений удара молотком или давлением воображаемого водяного столба высотой до Луны. При этом затрачивается в тысячи раз меньше энергии. К слову, классическими нелазерными ударными методами – взрывами или стрельбой ударниками – таких результатов уже не достичь. Ударная волна «бежит» внутри материала, вызывая в нем серьезные структурные изменения. Важно, что в наших исследованиях мы акустическим методом измеряем амплитуду волны давления на лицевой поверхности – в источнике взрыва. Этим мы отличаемся от других исследователей, регистрировавших в основном ударные волны, которые прошли сквозь материал на тыльную сторону мишени и уже существенно ослабились. Мы же можем напрямую сопоставить силу «лазерного удара» по поверхности и результат механических (упрочнение), химических (окисление, сегрегация химических элементов) или структурных (фазовые превращения) изменений в материале, для исследования которых используются современные методы материаловедения. Один из последних результатов – фемтосекундное лазерное упрочнение поверхности алюминиевого сплава для аэрокосмической промышленности: нам удалось повысить его микротвердость на 50%, при этом обычный результат – 10-20%. Проведенная обработка, так называемый «пиннинг» поверхности, может существенно повысить стойкость материала к коррозии, образованию трещин и так далее.

В более «мягких» режимах лазерного воздействия поверхность материалов разрушается с образованием наночастиц, которые могут представлять самые разные соединения – от простых металлов до сверхпроводников. Они получаются химически чистыми, не загрязненными органическими прекурсорами. Хотя такие исследования по лазерной генерации наночастиц идут уже не одно десятилетие, хорошее понимание физики этого процесса позволяет нам, ученым Университета ИТМО и ФИАН, находить новые перспективные научные направления. Среди них – фабрикация композитных наночастиц в химически-активных жидкостях. Этот процесс позволяет получать экзотические наноматериалы, которые невозможно обрести традиционными твердофазными методами. Применения наночастиц довольно разнообразны: от нанодобавок микроэлементов, необходимых для человеческого организма, до спектральных химических сенсоров на базе наночастиц или даже функциональных мета-поверхностей – монослоев упорядоченных наночастиц.

Мета-поверхности долгое время применяются в химическом катализе и обещают настоящую революцию в оптике – на место объемных оптических элементов придут мета-слои толщиной в одну или несколько наночастиц. В этой области мы плодотворно сотрудничаем с кафедрой нанофотоники и мета-материалов Университета ИТМО под руководством Павла Белова. В целом, в настоящее время идет постоянная работа по созданию новых технологий фабрикации наночастиц и расширению областей их применения.

Третье значительное направление нашей работы, также в сотрудничестве с ФИАН, – это трехмерная лазерная запись оптических микроэлементов: световых волноводов и полых каналов для протока жидкости, а также целых сетевых структур из таких элементов для применений в интегральной оптике и микрофлюидике. Для записи микроэлементов используется жесткая фокусировка фемто- или пикосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрических образцов – например, стеклянной пластины толщиной в один миллиметр. В первом случае происходит локальное микромасштабное нагревание и уплотнение стекла в области лазерного фокуса, формирующее ядро световода с более высоким показателем преломления, а сам окружающий исходный материал создает низкоиндексную оболочку. Во втором случае достигается уплотнение материала по периферии фокуса, а в его центре – выдавливание материала на периферию. Обычно при этом исследователям не удается избежать механических микронапряжений вблизи области записи, поэтому нами для исследований используются инновационные материалы типа нанопористого стекла, в которых естественное уменьшение или рост пор в процессе записи волноводов или каналов является механизмом для релаксации напряжений. При этом мы еще проводим разноплановые исследования физических процессов, управляющих формированием световых волноводов и полых каналов, чтобы выбрать наиболее оптимальные условия лазерной записи. В объеме стекла удается с помощью лазеров формировать цепи из разномасштабных световодов, каналов, микрокамер, микромоторов для прокачки жидкостей – для разделения клеточных компонент крови и ее экспресс-анализа, спектрального анализа жидкостей и других перспективных применений.

Какие преимущества работы в Университете ИТМО вы отмечаете для себя?

Как уже упоминалось, кроме Университета ИТМО, я также сотрудничаю с Физическим институтом им. Лебедева РАН – одним из старейших и ведущих полифизических исследовательских институтов Российской академии наук. Сравнивая ФИАН и Университет ИТМО, можно заметить, что в первом, как в Академии в целом, в силу известных социально-исторических событий, произошел разрыв поколений:  преобладают ученые старшего возраста с высоким уровнем компетенции, но уже лишенные мотивации, свойственной молодым исследователям. В Университете ИТМО меня приятно удивило количество студентов и аспирантов с высокой научной мотивацией. Они действительно хотят и имеют возможность успешно реализовывать себя в рамках университета в целом ряде научных лабораторий и исследовательских центров мирового уровня.

В этом смысле мне нравится, когда активные сотрудники РАН с большим опытом работы в ведущих международных исследовательских центрах совмещают свою деятельность в академическом институте и Университете ИТМО, передавая этот бесценный опыт молодому поколению. Возможно, духу преемственности способствует величественная аура Петербурга, в историческом центре которого располагается Университет ИТМО.

Наталья Блинникова, 

Редакция новостного портала Университета ИТМО