СТАТЬИ

ОТ ПЕТАВАТТНЫХ ЛАЗЕРОВ ДО НЕЙРОИМИДЖИНГА
Член-корреспондент РАН Александр СЕРГЕЕВ,
директор Отделения нелинейной динамики и оптики Института прикладной физики (ИПФ) РАН,
заместитель директора по научной работе того же института

Фемтосекундная оптика и сверхсильные лазерные поля, уникальные квантовые генераторы, прецизионные измерения и спектроскопия, биофотоника и ультразвуковая медицинская диагностика, нейрофизика — исследования в этих и ряде других перспективных областей ведут в самом молодом из подразделений Института прикладной физики — оно создано в середине 90-х годов ХХ в. — Отделении нелинейной динамики и оптики.

ОПТИКА БОЛЬШИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
Удивительно, но процессы, лежащие, например, в основе генерации сверхсильных оптических полей в лазерах и обработки информации мозгом, можно описывать на едином физическом языке и изучать в рамках близких моделей. А это важный фактор ускоренного решения соответствующих проблем за счет взаимодействия научных коллективов. Разумеется, за каждым из них — известные не только в России имена ученых, причастных к рождению важных направлений: мощные лазеры и нелинейно-оптические взаимодействия — Виктор Беспалов и Геннадий Фрейдман, прецизионные оптические измерения — Израиль Берштейн, квантовая радиофизика — Яков Ханин, прецизионная молекулярная спектроскопия — Андрей Крупнов, радиофизические методы в медицине — Мария Грехова, нелинейная динамика неравновесных систем — Михаил Рабинович. Созданные этими докторами физико-математических наук школы активно работают в Отделении и сегодня, привлекая талантливую молодежь.

Внешний вид субпетаваттного лазера на параметрическом усилении

Одна из самых бурно развивающихся в последнее десятилетие областей физики — фемтосекундная оптика. Почему именно на ней сосредоточено большое внимание исследователей? Известно, что многие процессы в физических, химических и биологических системах на молекулярном уровне протекают в очень коротких временных интервалах — вплоть до пико-, фемто и даже аттосекунд (соответственно, 10^-12, 10^-15, 10^-18 с). Диагностировать, изучать, моделировать столь стремительные события стало потенциально возможным лишь после изобретения лазера*. В начале 60-х годов ХХ в. с его помощью удалось достичь длительности импульса наносекундного диапазона (1 нс =10^-9 с), а в конце 80-х начали осваивать и фемтосекундный. На рубеже веков экспериментаторы получили импульс длительностью всего 5 фс (что сравнимо с периодом оптического колебания), приблизив предел, который способны обеспечить квантовые генераторы. Столь стремительный прогресс стал реальностью благодаря выяснению механизмов самосинхронизации колебаний, появлению новых кристаллов, а также оптических элементов для частотного широкополосного контроля лазерных резонаторов.
Фемтосекундная оптика открывает беспрецедентные возможности, в том числе в управлении процессами в уже упоминавшихся системах на молекулярном уровне, коммуникационных технологиях с рекордной плотностью передачи информации — до 10¹² бит в секунду, прецизионной микрообработке материалов и др.
Особо отметим: фемтосекундная оптика служит основой для развития еще одной стратегической области — физики сверхсильных полей и порождаемых ими экстремальных состояний вещества. Эти поля огромной интенсивности (свыше 10¹⁹ Вт/см2) генерируются лазерными источниками сверхкороткой длительности с гигантскими пиковыми мощностями от тераваттного (10¹² Вт) до петаваттного (10¹⁵ Вт) уровня. Ныне мультитераваттные фемтосекундные лазерные комплексы становятся экспериментальной базой ряда новых направлений в атомной физике, физике высоких энергий, в ядерных и термоядерных исследованиях. Причем самый большой в России парк таких установок находится в ИПФ. В их числе петаваттный комплекс на широкоапертурных (большого диаметра) нелинейных кристаллах DKDP (дигидрофосфата калия с тяжелой водой), тераваттный, субтераваттный и др. лазерные комплексы и источники. На каждом из них реализуется своя программа исследований, ведущихся под руководством автора данной статьи и доктора физико-математических наук Ефима Хазанова. Создание петаваттного лазерного комплекса — мощнейшего в нашей стране и входящего в пятерку аналогичных систем в мире — крупнейший проект, реализованный нашим Отделением в сотрудничестве с коллегами из Российского федерального ядерного центра – Всероссйского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в городе Сарове (Нижегородская область). От схожих установок в США, Великобритании и Японии отечественная отличается компактностью и использованием параметрического усиления света вместо обычного лазерного. Поясним: рабочее вещество в любом оптическом квантовом генераторе вначале переводится в возбужденное состояние, а затем запасенная энергия сбрасывается. В качестве рабочего вещества в твердотельных лазерах применяют кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекла с примесью неодима, иные материалы. А вот при параметрическом усилении эта роль отводится специально выращенным нелинейно-оптическим кристаллам. В них энергия волны накачки преобразуется в усиливаемую сигнальную в процессе распада каждого высокочастотного кванта на два с меньшей частотой. При обычной схеме усиления упомянутый процесс отсутствует.
Достигнутый результат открывает возможности для появления в нашей стране уже в ближайшее время лазерного комплекса с рекордной мультипетаваттной мощностью. Для чего у нас в Отделении построен и передан в РФЯЦ-ВНИИЭФ аналогичный вышеописанному лазер 100-тераваттной мощности, который будет оснащен дополнительным каскадом параметрического усиления на уникальном широкоапертурном кристалле DKDP размером 30х30 см². Для его накачки планируется использовать излучение одного из каналов установки «Луч» (прототип российской системы «Искра-6», создаваемой в настоящее время в Сарове для исследований по управляемому термоядерному синтезу) с энергией до 1 кДж, что позволит получить выходной импульс лазерного излучения мощностью более 100 Дж и длительностью менее 50 фс. При фокусировке импульса в вакуумной камере на мишени достижима гигантская интенсивность —10²²Вт/см².

Прогресс в создании лазерных систем на параметрическом усилении и петаваттных лазеров, основанных на традиционной схеме усиления импульсов.	Кристалл DKDR с апертурой 35х35 см, выращенный в ИПФ по скоростной технологии.

Оптические поля, соответствующие такому показателю, почти на 3 порядка величины превосходят так называемое «атомное», удерживающее электрон в атоме водорода на первой орбите (согласно модели датского физика Нильса Бора, предложенной им в 1913 г.). Ясно, что подобное воздействие на вещество приведет к его экстремальным состояниям с новыми свойствами, что представляет интерес прежде всего для фундаментальной науки (например, моделирования процессов в недрах звезд и планет или наблюдения нелинейных свойств вакуума). С другой стороны, сверхсильные оптические поля пригодны для интереснейших приложений, связанных с генерацией в лазерных мишенях квантов электромагнитного излучения и заряженных частиц с энергией более 108 эВ. В том числе речь идет о создании новых источников жесткого когерентного излучения, инициировании реакции управляемого термоядерного синтеза и т.д.
Достижение петаваттного уровня мощности не снижает интереса к исследованиям на тераваттном титано-сапфировом лазерном комплексе. Один из самых продуктивных циклов экспериментальных работ посвящен явлению филаментации* фемтосекундного излучения в атмосферном воздухе. На основе этого эффекта, в частности, могут быть созданы «лидары** белого света» — широкополосные источники, расположенные по ходу лазерного луча и используемые для зондирования атмосферы с целью изучения ее химического состава.

УНИКАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Лазеры могут генерировать высококачественные когерентные пучки светового излучения большой мощности с малой «расходимостью», способные переносить концентрированные потоки энергии на дальние расстояния. Однако этому препятствует то, что в активной среде при интенсивной накачке возникают неоднородности показателя преломления света, существенно ухудшающие пространственную структуру пучка генерации. Для компенсации таких искажений внутри резонаторов мощных лазеров используют методы адаптивной и нелинейной оптики — их поиск ведут в ИПФ с первых лет его существования. С помощью таких методов нашими сотрудниками разработаны принципиально новые импульсно-периодические лазеры с высокой мощностью и хорошей направленностью излучения, перспективные для прецизионной обработки материалов, дистанционного зондирования и др. Вот лишь два примера.
В отделе, возглавляемом кандидатом физико-математических наук Николаем Андреевым, созданы лазерные нелинейно-оптические приемники пространственно-неоднородных световых сигналов, несущих изображение. Они обладают уникальным сочетанием параметров: предельно узкой полосой приема, широким полем видения (~500х500 пикселей или 5°–10°) и общим усилением энергии принимаемого сигнала до уровня 10¹²–10¹³. Достигнутая чувствительность — примерно 2 кванта на элемент разрешения приемника — близка к физическому пределу, определяемому уровнем квантовых шумов. А в группе кандидата физико-математических наук Олега Кулагина разработаны компактные пикосекундные твердотельные установки с качеством излучения, близким к дифракционному пределу (минимально возможному размеру светового пятна), и, что важно, функционирующие в безопасном для глаз спектральном диапазоне.

Расширение сферы применения лазеров требует освоения новых спектральных диапазонов генерации. Причем во многих странах прилагают большие усилия по созданию соответствующей компактной техники в среднем инфракрасном диапазоне — именно она незаменима в ряде прикладных областей: астрофизике, спектроскопии (в том числе мониторинге производственных процессов в химической промышленности), средствах связи, тепловидении, контроле окружающей среды и т.п. Ее разработку ведут и в нашем Институте. Совместно с Нижегородским государственным университетом и РФЯЦ-ВНИИЭФ создан макетный образец твердотельной лазерной системы, перестраиваемой в диапазоне длин волн прозрачности атмосферы (3–5 мкм). Ее вес не превышает 40 кг, она может быть размещена на борту легкого самолета и пригодна, например, для экологического мониторинга и дистанционной диагностики утечки газа из магистральных газопроводов.
Возможности лазеров в значительной мере зависят от параметров применяемой в них оптики. Эти проблемы решает отдел (руководитель — кандидат физико-математических наук Алексей Бабин), занимающийся скоростным выращиванием водорастворимых профилированных кристаллов с апертурой до 40x40 см². Столь крупногабаритные изделия нужны для систем управляемого лазерного термоядерного синтеза, создающихся в России, США, Франции, Японии. Для каждой из них требуется до 10³ элементов, являющихся основой электрооптических затворов и умножителей частоты лазерного излучения. При традиционной технологии на выращивание кристаллов такого типа уходит свыше года. А нашим специалистам удалось ускорить процесс в десятки раз, доведя темп роста до 2 см в сутки. Эти разработки востребованы не только российской программой реализации управляемого лазерного термоядерного синтеза, но и лабораториями США, Франции, Китая, Чехии.

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Современная метрология в значительной степени базируется на оптических методах измерения физических величин, и многие стандарты обязаны своим существованием достижениям лазерной техники. Поэтому естественно внимание, уделяемое данной теме в работе Отделения.

Прибор для прецизионного контроля поверхностей с размерами ~250 мм; b - гравитационный прогиб эталонной пластины (толщина 25 мм), лежащей на трех опорах. Прогиб составляет 0,12 нм на 60 мм.

Наиболее интересные результаты получены при использовании оптической интерферометрии* в сочетании с высоким качеством излучения применяемых лазерных источников. Так, кандидат физико-математических наук Валентин Геликонов в экспериментах с высококогерентными газовыми лазерами еще в середине 90-х годов ХХ в. измерил рекордно малые смещения оптического зеркала — на уровне 10—17м/Гц. Кстати, чувствительности подобного уровня достигли лишь в 2000 г. на гигантском четырехкилометровом интерферометре LIGO (США), предназначенном для детектирования гравитационных волн, приходящих от различных источников в нашей галактике или соседних звездных образованиях. Упоминание последнего проекта не случайно, поскольку ИПФ, включенный в международный научный консорциум LSC (LIGO Scientific Collaboration), участвует в его реализации, решая немало сложных проблем. Одна из них - контроль качества широкоапертурной (до 30 см в диаметре) оптики и дистанционный контроль за ее состоянием при многомесячной работе в условиях высокой лучевой нагрузки. Поэтому важным вкладом Отделения в программу LIGO стала разработка группой под руководством доктора физико-математических наук Ильи Кожеватова широкополосного интерферометра для измерений неоднородностей поверхности и оптической толщины образцов с поперечными масштабами от 250 мм до нескольких микрон с точностью до единиц ангстрем. Для поверхностей с линейными размерами до 100 мм измерения можно проводить на удалении до 3 м, что позволяет следить за динамическими явлениями в оптических элементах в момент их работы. К настоящему времени он — единственный в мире прибор с такими способностями.
Традиционно с метрологией связана спектроскопия атомов и молекул. Уникальную аппаратуру для этих целей создает коллектив под руководством доктора физико-математических наук Андрея Крупнова и кандидата физико-математических наук Михаила Третьякова. С ее помощью удалось, например, провести высокоточные измерения частот переходов основного колебательного состояния молекулы сероокиси углерода в диапазоне от 48 ГГц до 1,1 ТГц, а затем рассчитать вращательный спектр этой молекулы в десятки раз точнее достигнутого в предшествующих расчетах. Благодаря этой точности спектр можно использовать как калибровочный эталон для астрофизических, атмосферных и лабораторных исследований.

БИОФОТОНИКА И УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА

Источники лазерного излучения с уникальными свойствами и прецизионные методы оптической диагностики стали основой для появления в последнее десятилетие научно-технологического направления, получившего название «оптическая томография биологических объектов» (или «оптический биоимиджинг») и ставшего в Отделении одним из базовых. Излучение длинноволновой части видимого или ближнего инфракрасного диапазона спектра может сравнительно глубоко (до нескольких сантиметров) проникать в живую ткань, при этом оно безопасно, поскольку энергия оптического кванта и мощность источника излучения очень малы. Внутренняя структура биологических объектов в данном диапазоне длин волн характеризуется чрезвычайным разнообразием коэффициентов рассеяния и поглощения, поэтому контраст изображения очень высок. Но живая ткань с точки зрения оптических свойств — пример мутной среды, светорассеяние излучения в ней велико. Каков же выход? Подсказка нашлась… в области подводной локации: способы поиска объектов в мутных средах с использованием наносекундного излучения были предложены нижегородской радиофизической школой еще в 60-х годах ХХ в.
Лабораторная реализация фемтосекундного «локатора биотканей» коллективом под руководством Валентина Геликонова и автора данной статьи стимулировала развитие в ИПФ нового диагностического метода — оптической когерентной томографии. Она применима для ранней диагностики опухолей, интра- и послеоперационного контроля. Сотрудниками Отделения совместно с коллегами из Нижегородской государственной медицинской академии создано семейство оптических томографов, прошедших апробацию в нашей стране и за рубежом и уже внедряющихся в практику. Знак признания вклада специалистов Института в эту работу — Государственная премия РФ в области науки и техники за 1999 г.

Внешний вид прибора оптической когерентной томографии; изображения неизмененного участка (слева) и карциномы (справа) кишечника. Длина волны зондирования 1300 нм, размер изображения 1,5мм х 1,5 мм.

Другая разновидность оптического биоимиджинга — диффузионная томография (в том числе флуоресцентная), в которой используется сильно рассеянная (диффузная) компонента излучения, проникающая в живую ткань на глубину до нескольких сантиметров. В лаборатории кандидата физико-математических наук Владислава Каменского создан оптический диффузионный томограф для диагностики рака молочной железы, сканирующий исследуемый объект одновременно на 3-х длинах волн и затем обрабатывающий изображения для определения компонентного состава тканей.
Не меньший интерес представляют работы по биомедицинской акустике, ведущиеся в отделе, возглавляемом кандидатом физико-математических наук Анатолием Мансфельдом. Оптоакустическая локация с применением импульсного лазера выявляет вызванные патологическими изменениями неоднородности, отличающиеся от окружающей нормальной ткани лишь коэффициентом оптического поглощения. Выявление их — еще один способ диагностики опухолей молочной железы.

Изображения опухоли молочной железы in vivo, полученные с помощью оптического диффузионного томографа. Вверху — распределение амплитуды детектируемого сигнала (область сканирования 70 х 70 мм, толщина слоя 60 мм). Внизу — восстановленные распределения компонентов биоткани.

Среди разрабатываемых в Отделении методов визуализации внутренних органов интерес представляют и регистрирующие собственное излучение тела, что важно для диагностики пациентов с риском лучевого поражения. К ним относится и метод акустотермографии, позволяющий изучать распределение внутренней температуры биологического объекта. На этой основе реализован и уже испытан сканирующий акустотермотомограф с фокусируемой антенной, повышающей пространственное разрешение и чувствительность термометрии.

НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ПЛЮС НЕЙРОФИЗИКА

В вопросах нелинейной динамики сложных пространственно-временных систем и процессов отечественная наука традиционно занимает лидирующее положение. В ИПФ эти исследования ведутся в рамках направления, сформировавшегося под руководством академика Гапонова-Грехова. Корнями оно восходит к научной школе, созданной в 30-40-е годы ХХ в. академиками Леонидом Мандельштамом и Александром Андроновым.
В настоящее время интересы отдела, возглавляемого доктором физико-математических наук Владимиром Шалфеевым, сфокусированы в области пространственно-временной динамики дискретных сред, образованных большими ансамблями связанных между собой активных элементов. А в лаборатории доктора физико-математических наук Владимира Некоркина изучаются динамические механизмы формирования колебательных когерентных структур в активных мультистабильных системах. Обнаружен эффект динамического копирования и преобразования пространственно-временных структур активности, показана возможность импульсного управления регулярными и хаотическими колебаниями для формирования заданной конфигурации фазовых кластеров. Установлено существование устойчивых бегущих волн в виде волновых фронтов, импульсов возбуждения и др. Эти исследования имеют как важную фундаментальную составляющую для построения колебательно-волновой теории сложных мультиэлементных автоколебательных систем, так и прикладной аспект, связанный с построением систем параллельной обработки информации и управления на принципах нелинейно-волновой физики. В лаборатории, возглавляемой доктором физико-математических наук Александром Езерским, разрабатываются новые модели пространственно-временного хаоса, а в лаборатории доктора физико-математических наук Владимира Яхно изучается динамика моделей с нелокальным распределением межэлементных взаимодействий для задач построения алгоритмов параллельной обработки сложных видеоизображений. Созданы демонстрационные системы распознавания информации по биометрическим параметрам.
Особо следует выделить новое направление исследований — нейродинамику и оптический нейроимиджинг, связанные с применением методов и подходов нелинейной динамики и оптики к выяснению структуры и функций систем мозга. Такие данные удается получать на основе достижений лазерной физики и микроэлектроники, клеточных и молекулярных технологий. Становится возможным построение математических и физических моделей сложнейших нейронных систем, а значит и описание, исследование, предсказание механизмов их работы. Прикладной аспект связан с поиском методов диагностики и лечения патологий, созданием нейроимитирующих информационных технологий и устройств на основе полученных фундаментальных знаний. Такие устройства, в отличие от современных компьютеров, будут строиться на принципах функционирования клеточных сетей мозга, а они существенно отличаются от традиционной логики.
Это направление в ИПФ развивает лаборатория доктора физико-математических наук Владимира Некоркина и базовая кафедра нейродинамики и нейробиологии Нижегородского государственного университета, возглавляемая доктором физико-математических наук Виктором Казанцевым. В частности, ими разрабатывается динамическая модель оливо-мозжечковой системы контроля и координации движений. Последняя отвечает за формирование моторных стимулов, с помощью которых реализуется определенный шаблон мышечных сокращений. Исследуется модель краткосрочной памяти в виде ансамбля взаимодействующих через обратную связь активных элементов. Ключевое свойство изучаемой системы ? возможность хранения в ней нескольких информационных образов в виде периодически возбуждающихся кластеров нейронной активности. Методами оптического нейроимиджинга изучаются механизмы синаптической передачи сигналов между нейронами. Для получения высокого пространственного разрешения используется двухфотонное возбуждение флуорофоров инфракрасным фемтосекудным лазером. Регистрируемые сигналы вызываются также путем традиционной электрической стимуляции с помощью внеклеточных электродов, или стимуляции клеток за счет фотоактивации биологически активных молекул.

Фрактальная структура активности в ансамбле взаимодействующих возбудимых элементов, формирующаяся за счет неустойчивости большого числа волн.