Краткость – сестра удачи, или на острие луча

Приставка «фемто» означает 10^-15. Соответственно, фемтосекунда – это секунда в -15-й степени. Понять, что это такое, достаточно сложно, легче привести аналогию. Итак, если обычную секунду сократить до фемтосекунды, то время существования всей Вселенной (примерно 13,8 млрд лет по современным данным) легко уложится в семь с половиной минут.

Впервые лазеры, выдающие импульсы фемтосекундной длительности, появились в начале 80-х гг. прошлого века. Тогда это произвело истинную революцию в науке. Сейчас, спустя три десятилетия, фемтосекундная лазерная физика – совершенно самостоятельное и чрезвычайно перспективное направление. Об исследованиях и разработках в этой области нам рассказал заведующий отделом лазерной плазмы ОИВТ РАН, руководитель Фемтосекундного лазерного центра доктор физико-математических наук Михаил Борисович Агранат.

- Михаил Борисович, с лазерами нам все более или менее ясно. А чем специфическим может заниматься именно Фемтосекундный лазерный центр?

- Думаю, и с лазерами далеко не всем все ясно. Лазерная физика – обширнейший раздел науки, который мы еще только начали осваивать. И фемтосекундные лазеры занимают в нем стратегически важную позицию. Бурно развивается и фемтосекундная лазерная техника в направлении увеличения мощности излучения и уменьшения длительности импульса до долей фемтосекунд (аттосекундный диапазон).

Наш центр можно условно разбить на три комплекса, или три направления.

Первый комплекс состоит из фемтосекундных лазерных систем тераваттного (до 10 ТВт) и субтераваттного уровня мощности импульса излучения. Здесь проводятся экспериментальные исследования взаимодействия сверхсильных полей с веществом, свойств высокотемпературной лазерной плазмы, разработка короткоимпульсных источников терагерцевого и ренгеновского спектра излучения.

Второй комплекс условно называем технологическим. Здесь проводятся исследования с помощью фемтосекундных лазеров мегаваттной импульсной мощности, такие как исследования неравновесного нагрева спиновой подсистемы в ферромагнетиках, прочностных свойств материалов под действием ударных нагрузок предельно короткой длительности, образование горячих электронов в металлах и полупроводниках, сверхбыстрые фазовые превращения и многое другое. Отрабатываются прикладные задачи: как с помощью лазера снимать или наносить нанослой вещества, как создавать наноструктуры на поверхности различных материалов.

Третий комплекс – биомедицинский. Здесь разрабатывается уникальное оборудование, ведется работа над многими интересными задачами, для решения которых мы работаем вместе с биологами из Института биологии развития им. Н.К. Кольцова, биологического факультета МГУ, НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, медиками из Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина, Центром биофотоники при Гарвардском университете США, Центром молекулярной нейробиологии в Гамбурге, Германия. Основное направление исследований – клеточная медицина.

Фемтосекундный центр начал строиться в 2000 г. Инициатором и активным участником работ был нынешний президент РАН академик В.Е. Фортов. Хотя фемтосекундные лазеры уже были в российских лабораториях, лазерные системы тераваттной мощности тогда в России отсутствовали, и Владимир Евгеньевич поставил задачу построить у нас тераваттную систему. К сожалению, средств на покупку за рубежом комплектующих изделий, необходимых для создания лазера, подобного зарубежным, не хватало. Тогда мы вместе с российской фирмой «Авеста-Проект» начали строить лазер с активным элементом на основе кристалла хром-форстерита. Он был не особо популярен, потому что его трудно выращивать, к тому же он не обладает таким коэффициентом усиления, как широко распространенный титан-сапфир. Но в этом случае мы смогли обойтись российскими и белорусскими комплектующими изделиями. Так в России в 2002 г. появилась первая отечественная фемтосекундная инфракрасная тераваттная лазерная система, которая до сих пор не имеет аналогов в мире.

С помощью этой уникальной установки было проведено много исследований, поскольку стояли ряд задач, требующих мощного фемтосекундного инфракрасного лазерного импульса. Но самая эффективная и яркая возможность применения хром-форстерит-лазерной системы неожиданно для нас возникло в прошлом году. Выяснилось, что только благодаря нашей установке можно получить с помощью преобразования на нелинейном кристалле мощные импульсы субпикосекундной длительности когерентного направленного излучения терагерцевого спектрального диапазона.

В Швейцарии есть большая лаборатория, которая занимается генерацией терагерцевого излучения. Там случайно узнали о нашей установке, написали нам письмо и привезли нелинейный кристалл. Мы вместе с ними в 2014 г. получили терагерцевое излучение рекордной мощности 5 ГВт, более чем на порядок превосходящее все, что было до того в мире. По существу, создан мощный фемтосекундный источник терагерцевого «лазерного» излучения (в кавычках, т.к. спектральный диапазон - не оптический). Подчеркну еще раз, что ключевым условием достижения рекордных параметров терагерцевого излучения стало наличие в ОИВТ РАН тераваттной фемтосекундной хром-форстерит-лазерной системы.

Наши совместные исследования (опубликованные в 2014 и 2015 гг. в журналах Optics Letters и Optics Express) получили широкий резонанс, к нам приходили письма с просьбой помочь сделать такую же установку. Только в Минобрнауки нас до сих пор особо не замечают. В 2014 г., после того как мы получили терагерцевый импульс рекордной мощности, мы подали заявку на конкурс по модернизации уникальных установок, где все эти проблемы и задачи были изложены, но грант нам не дали. Нас немного поддержала РАН, выделив финансирование из программ президиума. Сейчас В.Е. Фортов активно старается доказать, что открыто новое направление, требующее интенсивного развития. С помощью мощного короткоимпульсного источника когерентного терагерцевого излучения можно проводить дистанционную диагностику параметров различных материалов (в том числе газовых сред), дефектов, скрытых от оптического излучения, и оказывать на вещество силовое воздействие.

- То есть можно воздействовать на объект через стену?

- Да. Но чтобы проводить подобные исследования, нужен нелинейный преобразователь, который строится на основе мозаики из кристаллов, и мозаика эта достаточно большого диаметра. Такие кристаллы выращивается пока только в Швейцарии и в Японии, а стоимость такого преобразователя составляет около 10 млн. рублей. Сейчас мы занимаем лидирующую позицию, но через два года, если не проведем никаких исследований и не найдем мощных приложений, нас обойдут. В настоящее время средств на покупку такого преобразователя и проведение работ у нас нет. Будем пока пользоваться во время совместных исследований кристаллом наших швейцарских коллег.

Странная материя

- Когда говорят о таких мощных лазерах, сразу возникает вопрос о переходе вещества в состояние плазмы.

- На нашей установке плазма, разумеется, получается, но в маленьком объеме, с линейными размерами примерно 10 мкм. Это объект исследований, который по-другому смоделировать невозможно. С помощью фемтосекундного лазера можно не только создавать плазму, но, например, с помощью интерферометра диагностировать свойства плазмы и определять различные ее параметры спустя 100, 200, 300 и т.д. фемтосекунд после ее образования. Только с помощью такого лазера можем наблюдать, как она разлетается, какие параметры у нее изменились.

- Но это уже фундаментальные исследования.

- Совершенно верно. Но имеющие и большое прикладное значение. Вы можете в маленьком объеме лазером ускорить электроны до таких энергий, для которых строят огромнейшие ускорители. То же самое с ионами, а ускорение ионов уже важно и чисто практически, для лечения злокачественных заболеваний.

С помощью фемтосекундного лазера можно создать и исследовать необычные экстремальные состояния в твердом веществе. Например, перегреть кристаллическую решетку до сверхвысоких температур 10÷100 тыс. градусов, когда она не может долго существовать и вот-вот должна перейти в состояние плазмы. Но это произойдет лишь спустя сотни или тысячи фемтосекунд, когда вы ее нагрели сверхкоротким импульсом, в плазму она превратится только через пикосекунды, а может быть, даже через десятки пикосекунд. И в этот промежуток времени вы будете иметь дело с очень необычным веществом: уже не кристалл, еще не плазма, а вообще неизвестно, что это за состояние вещества.

- Переходная стадия?

- Да, экстремальное состояние материи. Мы моделируем фемтосекундным лазером такие экстремальные состояния и им же их исследуем.

Биомедицинские исследования

- Основное направление работ биокомплекса – применение фемто- и наносекундных лазерных диссекторов (скальпелей) и лазерных пинцетов в микрохирургии двумерных (в частности, клеток в монослое) и трехмерных (клеточных сфероидов, эмбрионов млекопитающих) объектов, а также в диагностике различных заболеваний на клеточном и молекулярном уровнях. Разработан и изготовлен лабораторный действующий образец программно-аппаратного комплекса «Фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель» с возможностью автоматизированного выполнения исследований и разработки технологий для медицины и биомедицины. Подобная комбинированная система производится немецкими фирмами, но с наносекундным диссектором, поэтому наш прибор на сегодня уникален.

- А чем фемтосекунды лучше наносекунд?

- Когда вы греете вещество с линейными размерами 10 мкм наносекундными импульсами, тепло за это время распространяется далеко от зоны воздействия. Если вам нужно сделать маленькую дырочку, наносекундами это не выйдет. А фемтосекундами – вполне, поскольку время короткое, тепло не успеет распространиться. Грубо говоря, фемтосекундный лазер на три порядка острее, чем лазер наносекундный. Поэтому для клеточной медицины фемтосекундный лазер подходит значительно лучше, особенно для трансфекции – когда в клетке делается отверстие и в него вводятся либо генетический материал, либо лекарства.

Фемто- и нано-, как мы всегда говорим, - близнецы-братья: фемтоимпульс по времени позволяет оперировать наноразмерами. Получаются резкие границы, что важно не только в биологии. Например, фемтосекундные лазеры позволяют балансировать лазерные гироскопы, где нужны чрезвычайно тонкие настройки. Мы это уже делали, нужно было снимать нанослой толщиной 10 нм и диаметром 1–2 мкм. Никакой другой лазер с такой задачей справиться не сможет.

К нам приезжала южнокорейская фирма, привозила дисплей с трехслойным покрытием. Нужно было снять один слой так, чтобы не повредить следующий. И эту работу мы сделали.

- Адресная доставка?

- Да. И такая методика нами разработана совместно с сотрудниками Института биологии развития.

- В том, что лазером что-то можно разрезать как скальпелем, сомневаться невозможно. Но вот чтобы он выполнял функции захвата...

- Лазерный пинцет был разработан еще во второй половине 1970-х гг. В нем луч лазера фокусируется в пятнышко диаметром в десяток микрометров. Поле в нем распределяется так, что попавшая в него частица уже не может выйти. Там идет неравномерное распределение интенсивности по пятну. Когда в него попадает диэлектрическая частичка, которая сдвигается благодаря такой неравномерности, при передаче импульсов фотонов возникает так называемая градиентная сила, которая возвращает ее обратно.

Вместе с сотрудниками НИИ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко отрабатывалась методика слияния нейронов. Два нейрона пинцетами приводились в контакт друг с другом, фемтосекундным лазером в области контакта делали аккуратную дырочку, после чего нейроны начинали «сливаться».

- Такая лазерная нейронная сварка?

- Не совсем. Нейроны «свариваются» сами, мы только инициируем процесс, сделав маленькую дырочку. От большой нейроны погибают. Такие опыты у нас прошли успешно, правда только in vitro, на стекле под микроскопом. Для того чтобы проделать то же на живом объекте, нужен фемтосекундный лазерный эндоскоп.

Лазеры сейчас очень широко применяются в хирургии, в онкологии. И здесь у фемтосекундных лазеров тоже большое будущее.

- Какие задачи вы сегодня решаете в этом направлении?

- В настоящее время мы совместно с НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН разрабатываем технологию лазерной микрохирургией клеточных сфероидов (послойная диссекция заданной области клеточной культуры 3D) для моделирования повреждающего воздействия и исследования механизмов репарации сфероидов в задачах тканевой инженерии, регенеративной медицины.

Совместно с Московским НИИ психиатрии начались работы по разработке методов ранней диагностики психиатрических заболеваний (в частности, шизофрении) по динамике в пикосекундном временном диапазоне отклика молекулы альбумина в крови на воздействие фемтосекундных лазерных импульсов.

А совместно с гамбургским Центром молекулярной нейробиологии начинаются работы по исследованию транспортных процессов в нейронах.

- Ваши установки и сейчас не маленькие, но до каких размеров их можно довести?

- Нашу главную установку мы делали в 2002 г., тогда все было большое. Сейчас ее уже можно уместить на один лабораторный стол. Габариты большей частью зависят от лазеров накачки, но они сейчас тоже становятся все меньше. Фемтосекундные лазеры уже делают настольными. Диодная накачка значительно уменьшает размеры лазеров. Но я знаю только одну фирму в России, которая профессионально на мировом уровне занимается изготовлением фемтосекундных лазеров, – это «Авеста-Проект» в Троицке, созданная хорошо известным в российских и западных «лазерных кругах» талантливым лазерным конструктором А.В. Конященко. Мы вместе с ними делали хром-форстерит. Они создали низкоинтенсивную часть, а мы – тераваттный усилитель мощности. Мы его даже запатентовали. Так что сделать можно все, было бы желание у тех, кто ведает финансами. Ведь как бы мы того ни хотели, какими бы энтузиастами ни были, но без нормального финансирования хороший прибор не сделаешь. Как раз «Авеста» сейчас рекламирует маленькие фемтосекундные лазеры. Все идет к уменьшению, а маленькие лазеры для биологии и медицины нужны именно такие – в чемоданчике.

Беседовал Валерий Чумаков