Академик Сергей Гарнов: «Лазеры окружают нас повсеместно»

Как создавались первые лазерные установки? Почему время, в которое мы живем, называют лазерной эрой? Какие прорывные разработки сегодня осуществляются в стенах ИОФ РАН и почему сюда так охотно идет молодежь? Об этом рассказывает академик Сергей Владимирович Гарнов, директор Федерального исследовательского центра «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук».

— Мы находимся в мемориальном кабинете академика А.М. Прохорова, где собрана масса интереснейших экспонатов. Вот, например, корона: Александр Михайлович в ней ходил или вел ученые советы?

— Когда ко мне приходят гости, я обычно показываю мемориальный кабинет. Начинаю не с короны, а с истории Александра Михайловича Прохорова. Рассказываю не о великом ученом (а он великий ученый), а о человеке. Александр Михайлович — не только нобелевский лауреат и основатель нашего института, он еще олицетворяет собой пример настоящего советского, российского патриота. Мы никогда не задумывались, когда были молодыми, какова история нашего мэтра. А потом, спустя многие годы, стали смотреть, что он делал во время Великой Отечественной войны. Сразу после ее начала, будучи аспирантом, А.М. Прохоров вместе с молодыми коллегами пошел записываться в военкомат — в партизаны. В партизаны его не взяли, все-таки техническое образование, отправили его в техническую школу. Он прослужил до 1943 г. и за это время получил два тяжелых ранения. У него впоследствии было пять орденов Ленина, две медали «Золотая Звезда». Но выше всех прочих он ценил одну награду — медаль «За отвагу», которая была присвоена в 1943 г., а нашла героя в 1986 г. на его 70-летие. Наверное, с этим и связано его отношение к жизни.

— А какое у него было отношение к жизни?

— Он никогда не афишировал, что был инвалидом II группы. Он не только окончил аспирантуру, защитил кандидатскую и докторскую диссертации, но и сумел организовать то, что сейчас мы называем ни много ни мало — лазерной эрой. Можно долго говорить о заслугах ученых по всему миру, но я хочу остановиться на том, какие выдающиеся научные открытия XX в. позволяют нам пользоваться этим наследием в полном объеме. Я не говорю об уравнениях Максвелла и об электричестве — это XIX в. В XX в. мы поняли, как устроен атом и что такое радиоактивность, что позволяет нам до сего времени существовать — это атомное и термоядерное оружие. Конечно, транзистор — основа основ для разработки ЭВМ, которые и стали тем, что сейчас они собой представляют. И лазеры, которые окружают нас повсеместно. Для нас стало привычным, что все наши телефонные разговоры так или иначе идут через оптоволоконные линии. Александр Михайлович был первым, и наше отделение «А» ФИАН стало первым в СССР, которое начало серьезно заниматься разработкой оптоволоконных систем в физике и использовать их. К вопросу о короне: Александр Михайлович отличался исключительными порядочностью и скромностью. Нельзя было представить, чтобы академик Прохоров, который запросто заходил в лаборатории, мог надеть корону.

— Но тем не менее она присутствует в экспозиции.

— Думаю, он посмеялся над таким сувениром. Здесь, кроме всего прочего, представлены образцы кристаллов, которые выращивал нынешний Центр лазерных технологий и материалов. Хочу напомнить, что понятие «фианит» родилось в ФИАН в соседнем корпусе.

— Не все знают, что искусственный аналог бриллианта, которые так любят девушки, был создан именно здесь.

— Да. Здесь также представлены образцы активных лазерных элементов, на которых в свое время создавались достаточно мощные лазерные установки специального и гражданского применения. Хочу отметить, что это был рабочий кабинет, где проходили совещания по различным направлениям. На них присутствовали многие известные ученые, руководители отрасли и руководители нашего государства. Обсуждали не только научные проблемы, но и трудности, связанные с реализацией разработок, научных исследований, которые потом вылились в то, что мы имеем сегодня.

— Я когда-то брала в вашем институте интервью у академика В.В. Осико, который считал себя продолжателем дела А.М. Прохорова. И он сказал, что по лазерам наша страна по-прежнему остается «впереди планеты всей». Что можно сейчас сказать по этому поводу?

— «Впереди планеты всей» — это скорее понятие СМИ. Могу определенно сказать, что новейшие разработки по различным направлениям этой деятельности — лазеров как таковых, физических исследований с использованием лазеров, — безусловно, находятся на одном уровне с теми странами, которые живут в более благоприятных условиях. Мы не потеряли своей значимости. Разработки, которые можно увидеть в СМИ, говорят о том, что мы не уступаем.

Если говорить об использовании лазерных технологий в промышленности, объемы на душу населения в РФ соответствуют тому, что имеют КНР, США, страны Европы. И основа основ здесь — научные разработки не только нашего института, но и других академических институтов и университетов. Об этом говорит и количество публикаций, в том числе в международных журналах. Несмотря на сложившуюся ситуацию, многие зарубежные журналы высокого уровня продолжают принимать наши статьи, мы этим гордимся. 

— Считается, что главная «фишка» вашего института — это именно лазерная физика. Почему он называется не институтом лазерной физики, а общей?

— Когда в 1982 г. вышло соответствующее решение Академии наук СССР, возник вопрос: а как назвать новый институт? Были предложения, подобные вашему. Но Александр Михайлович сказал, что будет Институт общей физики. Говорили, что «общая физика» — это учебник десятого класса. Но его позиция была очень дальновидной: лазеры как таковые — это уже инструмент. Можно и нужно создавать принципиально новые модификации, но основа того, что мы называем лазерной эрой, — это использование лазерного света в различных областях знаний. Случилось так, что первая генерация лазерного излучения была датирована американским инженером и физиком Теодором Мейманом 16 мая 1960 г. Меньше, чем через год такая же генерация была получена в СССР — в Москве и Ленинграде. А буквально через год уже была проведена первая офтальмологическая операция с помощью лазера. Стало понятно, что медицина — это та область, где это может быть востребовано. С тех пор появилось большое количество направлений, конкретных разработок.

В нашем институте сейчас пять научно-исследовательских центров, один из них — Центр биофотоники: это сельское хозяйство, использование различных комбинаций световых импульсов, светового излучения для стимулирования роста растений; диагностика с помощью БПЛА, которые летают над посевами пшеницы, проса, льна. Мы наблюдаем их реакцию на лазерное излучение, можем по спектру определять болезни, урожайность. Это все уже происходит.

— На опытных полях?

— Даже на полях, которые осваиваются бизнесом.

— Никто не сбивает ваши БПЛА?

— Они низко летят, и все знают, что они приносят пользу, а не вред. Известно, что сейчас большинство технологических операций обработки материалов наиболее выгодно осуществлять с помощью лазера. Это уже вчерашний день, но до сегодняшнего времени эти технологии продолжают успешно развиваться. Я показываю своим студентам свой телефон и говорю, что там до половины технологий — лазерные. Резка стекла, воздействие на те элементы, которые требуют корректировки, — это использование излучения лазера. Это дешево, выгодно, перспективно.

Коммуникация — это «наше все». Коммуникации в околоземном и не околоземном пространстве — это тоже лазерное излучение. Квантовые технологии, квантовые ключи, квантовое вычисление — это тоже лазеры. Мы сейчас стоим перед новой эпохой. Это то, что мы сейчас даже не можем еще представить. Искусственный интеллект, обработка гигантских массивов информации — без оптоволокна это невозможно.

— На вашем сайте есть отдельная рубрика «Инновационные разработки института», их огромное количество! Мне хотелось бы коснуться некоторых из них. Например, разработки, относящиеся к медицине: лазерный хирургический комплекс «Лазурит» — что он собой представляет?

— Очень интересная история создания этого инновационного комплекса, который был сначала создан в качестве модельного образца, а потом уже — конкретного изделия, готового к производству. Началось все в 1960-х гг. еще в ФИАН в старых корпусах, когда молодые сотрудники интересовались, на что еще можно повоздействовать лазером, и стали стрелять в воду.

— Из любопытства?

— Интересно же! Всеми великими открытиями движут интерес и молодость. Оказалось, что там возникают некие «вскипания». Пригласили теоретика, который сказал, что практически происходит взрыв, взрывное кипение. А дальше туда положили частицы какого-то материала и произошла деструкция — взрыв этой частицы. Прошло энное количество лет, и медики обратились к Александру Михайловичу с вопросом: что можно предложить для лечения мочекаменной болезни? Про нее многие знают, особенно люди в возрасте, а сейчас и не только возрастные категории пациентов. Традиционный способ деструкции камней — это ультразвук. Это работает. Но возникают дополнительные послеоперационные проблемы. А почему бы не попробовать воздействовать на эти камни с помощью лазерного излучения? Эти мысли возникли не только в стенах физического института, а потом — Института общей физики. Коллеги в России и за рубежом использовали различные типы лазеров, и мы тогда вспомнили эксперимент 1960-х гг.: а что, если подействовать на эти камни импульсами лазерного излучения с двумя различными длинами волн? Невидимым инфракрасным излучением и до нас воздействовали, а мы предложили еще воздействовать зеленым с длиной волны в два раза меньше. Оказалось, что одна длина волны инициирует возникновение плазмы, а вторая — длинная — воздействует на эту плазму и приводит к эффективному дроблению, как мы сейчас говорим, этих камней. И это можно хорошо сделать на стенде, а как довести до конкретного камня у пациента?

— Тут очень важна точность.

— Ответ подсказала волоконная оптика! Излучение подавалось по волокну через катетер и показало себя чрезвычайно эффективным. Фундаментальные исследования, интерес к самому процессу взаимодействия, работа с медиками — это была серьезная работа. Уникальность этой установки в том, что, в отличие от существующих до сего времени, она безопасна для окружающей среды внутри организма. Необходимо достаточно небольшое количество энергии без опасности врачу промахнуться.

— Да, ведь лазер может и вред нанести при неумелом использовании.

— Многие хирурги говорят, что, если бы не было такого изделия, другие лазеры не сработали бы. Конечно, у всех лазеров есть свое применение, но мы считаем, что «Лазурит» — это одна из тех работ, которая привела к созданию реального комплекса.

— Следующая разработка, о которой хотелось бы услышать, — фемтосекундная система для микрохирургии глаза «Фемто Визум». Что это?

— Сейчас это уже не наша система. Но уже больше 15 лет назад по заказу нашего профильного министерства мы получили грант и на площадке Центра физического приборостроения — нашего филиала в Троицке — была запущена  работа по созданию именно «Фемто Визума». До этого, работая в Институте общей физики по хирургии в офтальмологии с использованием эксимерных лазеров, мы делали установки, которые сейчас стоят и работают по всей России. Но там были моменты, которые не удовлетворяли офтальмологов, — слишком большой риск повреждения, и не всегда удавалось с помощью существующих лазерных систем решить те проблемы, которые, как оказалось, можно решить с помощью «Фемто Визума». Здесь оказались важными фемтосекундные импульсы — импульсы с большой пиковой интенсивностью, но с ничтожной энергией.

— Что они собой представляют?

— Очень маленькая энергия, но большое поле, большая интенсивность. Поэтому, не доводя большую энергию до области взаимодействия и не нарушая окружающую среду, можно очень аккуратно вырезать то, что мешает, поднять оболочку и поставить новый кристаллик. Сейчас эти системы уже вышли на промышленное производство. Мы не производители, но основа основ была здесь.

— Еще установка для терапии кожных заболеваний, эксимерный лазер МЛ-308, тоже медицинского характера.

— Лазеры нужны не только в медицине в хирургии, но и в косметологии. А косметология очень близка к онкологии поверхностных слоев кожи. Воздействие лазерного излучения на такие образования используется, но если посмотреть коммерческие предложения на лазерные установки, то окажется, что одни работают в одном спектральном диапазоне, другие — в другом. Мы посчитали, что упомянутая вами система обладает необходимыми ресурсами, включая качество излучения, а главное, последствия его использования, и она доказала свою эффективность, успешно применяясь в московских клиниках. Мы не коммерческая структура, хотя перед нами тоже стоят вопросы зарабатывания денег, используя в том числе гранты и контракты. Но мы не производители. Наша задача — готовить новые знания и воплощать их в жизнь. Это не красивые слова, наука не может существовать по-иному.  

— У вас также разработаны спектральные флуоресцентные методы ранней диагностики рака. О чем речь?

— Очень интересное направление нашей деятельности. Когда доктор смотрит гортань, он просто видит глазом. Профессионалы, имеющие большой опыт, могут сказать, что есть подозрение и на эту область надо обратить внимание. Дальше идут стандартные процедуры, позволяющие подтвердить или опровергнуть диагноз. А можно посветить различными участками спектра и посмотреть, что дает изображение здоровых тканей и нездоровых. Сейчас это называется мультиспектральным анализом, который широко применяется в том числе в тех областях, о которых я сказал. Мы были, наверное, первыми, кто делал такие приборы. Тогда это было очень ново, задавалось множество вопросов. Но опыт врачей подтвердил, что это эффективный метод, и он используется повсеместно.

— Каким образом можно идентифицировать ткани с помощью подобных установок?

— Можно просто посмотреть на фотографии в различных спектральных диапазонах, а можно еще добавить соответствующие вещества — контрасты, которые сначала вводятся в нужную вам область, и в зависимости от того, что вводится и как они потом флуоресцируют, проводится диагностика.

— У вас есть установка «Мария» для лечения тяжелых форм туберкулеза. Почему «Мария»?

— Это очень давняя установка. Не скажу, что она сейчас пошла в разработку. Идея была такая: известно, что туберкулез никуда не ушел, он распространен повсеместно — и в промышленных городах, и в отдаленных местах. К сожалению, медикаментозно с ним бороться удается не всегда. Я говорю о достаточно тяжелых формах туберкулеза, когда препараты не позволяют остановить процесс. Более того, это приводит к тому, что единственным способом лечения становится хирургическое вмешательство со всеми вытекающими последствиями.

Чем можно попытаться приостановить деятельность микроорганизмов, которые и вызывают туберкулез? Если использовать ультрафиолетовое излучение, которое не видно глазом, но в лазерной индустрии получается достаточно легко, то в области спектра вблизи 270 нм оно эффективно воздействует и предотвращает дальнейшее увеличение размера пораженного участка. Опять-таки, передача сигнала идет по волокну, без полостных операций.

— Это тоже где-то применяется?

— Апробация проходила в ведущих клиниках Москвы. Разработчик этого изделия продолжает работать в нашем институте, несмотря на то что ему уже 80 с лишним лет.

— Помимо аппаратов медицинского назначения, у вас представлено огромное количество других разработок. Обо всех в рамках одного интервью не расскажешь. А над чем вы работаете сейчас?

— Я уже сказал, что у нас работает пять центров. Например, у нас есть филиал — Центр волновых исследований, который занят проблемами акустики моря. Нужны ли там лазеры? Да. Но основные инструменты там — различные генераторы акустических волн и их приемники. Ежегодно проходят исследовательские экспедиции в наши северные моря. Там обязательно присутствуют наши сотрудники — не только мэтры, доктора наук, но и студенты, и аспиранты. Северный морской путь сейчас не только на слуху, он реально работает, и в прошлом году там уже проходили международные суда. Надо исследовать, какова структура дна. Карты есть, но они меняются с течением времени.

Я уже много рассказал о биотехнологиях. У нас есть работы, которые мы выполняем по заказу промышленности. Они связаны с интересными проектами, о которых мы сможем говорить через год-два. Не останавливается рост кристаллов. Одна из постоянно обсуждаемых проблем — это керамики, которые по внешнему виду практически неотличимы от кристаллов, но генерируют такое же лазерное излучение, как они. Если рост кристаллов ограничен размерами — объемами тиглей и ростом соответствующего кристалла, — то керамика может быть не только крупной, она может производиться в гораздо бóльших объемах, дешевле и с теми же качествами.

— Кристаллы выращивают, а керамику?

— Ее прессуют. Спекают из нанопорошков, и эти работы продолжаются в Научном центре лазерных материалов и технологий им. В.В. Осико ИОФ РАН. Благодаря нашему министерству мы смогли приобрести уникальное оборудование, прессы большой стоимости и работаем в этом направлении.

— Давайте скажем о перспективах вашего института, что невозможно без вливаний молодежи. Вы уже сказали, что молодежь участвует в ваших экспедициях. Насколько охотно она сейчас к вам идет?

— У нас существует аспирантура, 15 бюджетных мест. В этом году у нас конкурс был 1 : 2, это достаточно удивительная ситуация, потому что в прошлом году на 15 мест пришли 22 человека. Почему так происходит? Во-первых, сейчас в стране существует ориентировка на инженерные науки, физику, математику, IT — это выливается в конкретный интерес будущих ученых. Конечно, нельзя не сказать про наши пять базовых кафедр — МИФИ, Физтех, НИУ ВШЭ, МИРЭА… В основном молодежь приходит оттуда. Она смотрит на ситуацию в институте. Когда видит, что будущий шеф в 30 лет защитил кандидатскую, а у него уже растут кандидаты, это, конечно, стимулирует. Когда они видят, чем занимаются, как это интересно, — это стимулирует. Когда они видят отремонтированные лаборатории с современным оборудованием — это стимулирует. Это меня всегда радует, и я надеюсь, что такая ситуация будет сохраняться.

Нельзя не сказать о материальном обеспечении. Известно, что стипендия аспиранта весьма небольшая, но, поступив в аспирантуру, они уже со второго курса имеют возможность занимать должность младшего научного сотрудника, следовательно, участвовать в контрактах, грантах. У нас внебюджетное финансирование достигает 80% общего объема. Это не основное, но значительное подспорье. Сейчас у нас молодые мужчины и женщины до 40 лет составляют 45% исследователей. И это число постоянно увеличивается. К нам непросто устроиться на работу. Мы берем квалифицированные кадры и в основном выращиваем их сами.

— Как кристаллы.

— Да, как кристаллы, а не как керамику. Мы никого не прессуем. У нас три молодежные лаборатории, но, если посмотреть на их результаты, я думаю, что нам бы позавидовали многие университеты. Это вопросы создания новых источников излучения света. Мы с вами каждый день смотрим в экраны либо смартфонов, либо телевизора. Вопросы, которые остаются актуальными: как повысить качество изображения, улучшить так называемые OLED (англ. organic light-emitting diode) — органические светодиоды, которыми занимается весь мир. И вот эта молодежная лаборатория тоже этим занимается.

Вопросы преобразования света в электричество, солнечные панели. До сего времени их производство — это кремний. А если перейти к перовскитам? Это модное направление сейчас реализуется в практические результаты. Другая недавно созданная молодежная лаборатория, опять же благодаря министерству, которое выделило значительные средства, занята созданием композитов для зубных протезов. Несмотря на то что эта отрасль уже развита, остаются некоторые проблемы, возникающие при имплантации. Это вызвало интерес к новым композитным материалам, которые могут тут использоваться. Казалось бы, какая тут фундаментальная наука? А оказалось, что без знания физики, химии, материаловедения мы не можем давать новые результаты. Они уже воспринимаются, мы работаем с ортопедами, которые заинтересовались такими направлениями.

— Вы нередко говорите «не только мы, но и другие». Есть ли что-то, что делаете только вы?

— Наверное, нет. В отрыве от коллег сегодня ничего невозможно сделать в одном здании или комплексе зданий, изолированных от других. Какое-то время можно питаться теми знаниями, которые есть, но если не будет контактов, ничего не получится. Да, возникают споры, бурные обсуждения, но мы всегда работали и будем работать в связке. У нас проходят семинары, недавно прошла конференция «Прохоровские недели», это очень важные события для нас. На них мы плотно общаемся с коллегами. Сейчас я бы не сказал, что можно выделить отдельный институт или отдельную конгломерацию, которые могут сделать что-то уникальное без окружения.

— Как вы считаете, в чем уникальность вашего института?

— В том, что это Институт общей физики. В том, что коллектив был собран как раз в те времена, когда многие не понимали, почему нужно было создавать такую организацию. Мы вышли из ФИАН — это большой, всем известный сейчас Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. У нас прекрасные отношения. Но иногда разделение помогает объединению. Так и вышло. Во многом мы появились на свет благодаря А.М. Прохорову, который создал эту организацию, получив под это больше 100 ставок, и взял на них молодых сотрудников, некоторые из них до сего времени работают. А тот заряд интереса к науке, которые впитали и мы, тогда еще молодые научные сотрудники, позволяет нам передать его тем, кто подхватит наше знание. Традиции — великая вещь в науке, а в нашем институте это — залог успеха.

Интервью подготовлено при поддержке Российской академии наук