Технологии света
Фото: «Швабе»
Когда-то лазер казался фантастикой, а сегодня он стал инструментом в хирургии, незаменимым элементом в системах передачи данных, «сердцем» оптических систем и квантовых сенсоров. На предприятиях Госкорпорации Ростех лазерные технологии развиваются сразу в нескольких направлениях: от медицинской помощи и диагностики до измерительных систем и средств связи. О том, как лазерный луч стал универсальным решением — в нашем материале.
На световой волне
Знаковые научные открытия в области лазерных технологий произошли больше 60 лет назад. В 1960 году американский физик Теодор Майман создал первый рабочий лазер на рубине. Тогда же исследователи лаборатории Белла — Джаван, Беннетт и Хэрриотт — создали газовый лазер на смеси гелия и неона. В 1961 году физик Элиас Снитцер изготовил первый лазер на основе неодимового стекла.
Иллюстрация из журнала «Бюллетень Оптического общества»
В тот же год первый рубиновый лазер был создан в СССР, его разработали ученые Государственного оптического института им. С.И. Вавилова (ГОИ) Леонид Хазов и Инна Белоусова. Это открытие положило начало интенсивным исследованиям в области лазерных технологий в Советском Союзе. В 1963 году Жорес Алферов и немецкий ученый Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур — конструкций, состоящих из слоев полупроводниковых материалов, которые обладают разными электронными свойствами. Впоследствии на основе гетероструктур были созданы многие виды лазеров. В 2000 году ученые получили за это открытие Нобелевскую премию по физике.
С тех пор лазерные технологии ушли далеко вперед. В наши дни их используют в информационных и космических системах, промышленности, транспорте, медицине и спорте.
Тонкая работа
Развитие лазерных технологий в России неразрывно связано с именем советского ученого Митрофана Стельмаха. В 1962 году для исследований в области квантовой электроники по его инициативе был создан научно-исследовательский институт «Полюс». В кратчайшие сроки разработаны лазеры различных типов, через пару лет открылось медицинское направление. Ученые и медики под руководством Стельмаха выявили уникальные свойства лазера, которые можно применять в медицине. Например, лазер позволяет производить дробление ударной волной, разрушать и соединять биологические ткани, прижигать их. После лазерных операций восстановление проходит в разы быстрее, чем при традиционных методах.
В 1960–1970-е годы ученые «Полюса» совместно с медиками разработали 11 медицинских аппаратов на базе различных видов лазеров. Их изобретения нашли свое применение в онкологии, хирургии, офтальмологии, гинекологии и прочих областях медицины. Сегодня НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха — крупнейший российский лазерный центр, который входит в холдинг «Швабе». В «Полюсе» разрабатывают и производят лазерные установки, полупроводниковые и твердотельные лазеры, лазерные измерительные приборы и т.д.
Фото: «Швабе»
Медицинские аппараты на основе лазеров производят и другие предприятия холдинга. Например, Красногорский завод им. С.А. Зверева, который специализируется на оптических и оптико-электронных изделиях. Одна из разработок завода — лазерный комплекс АЛХК-01-«Зенит». Он применяется в лечении заболеваний женской репродуктивной системы и необходим для удаления ранних новообразований и неинвазивного вмешательства. «Зенит» создан на основе углекислотного лазера и полностью автоматизирован: специалист программирует работу комплекса заранее. В отличие от зарубежных аналогов комплекс может обрабатывать участки ткани любой формы.
Предприятия «Швабе» ведут разработки в области лазерной микроскопии. В 2024 году Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова представил новый интерференционный микроскоп МИМ-Н. Он позволяет диагностировать онкологические заболевания на раннем этапе. Это совместный проект уральского предприятия и Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН. Благодаря технологии лазерной интерферометрии МИМ-Н дает высокоточные изображения объекта и позволяет эффективнее находить изменения. Помимо медицины микроскоп может применяться в биологических исследованиях.
Лазеры без границ
Радиофотоника входит в число наиболее перспективных направлений в области лазерных технологий. В радиофотонных системах специальный модуль преобразует сверхвысокочастотный сигнал в оптический. Лазер при этом выступает источником оптического излучения. Фотоны (кванты электромагнитного поля) не обладают массой и зарядом, и это выгодно отличает их от электронов, которые подвержены внешним электромагнитным воздействиям. Технология используется в радиолокационных установках, волокно-оптических линиях связи, комплексах дистанционного зондирования атмосферы.
В 2019 году специалисты НИИ «Полюс» создали мощный одночастотный лазер с распределенной обратной связью и цифровой волоконно-оптический модуль для передачи информации на основе фотонных технологий. Ведется разработка новых модуляторов из специального полупроводникового материала, который может использоваться в фотонных интегральных схемах. Эти схемы позволят передавать массивные объемы информации на более далекие расстояния с помощью менее габаритных конструкций.
Трехосный лазерный гироскоп МТ-300. Фото: НИИ «Полюс»
Незаменимым источником данных в навигации, геодезии и космической отрасли остаются измерительные приборы на основе лазеров. Например, лазерные дальномеры, которые определяют расстояние. Дальность до объекта рассчитывается на основе того, за сколько лазерный луч дойдет до препятствия, отразится от него и вернется обратно в устройство с сенсором. Специалисты «Полюса» предложили метод, который в 18 раз снижает вероятность ошибок в работе импульсных дальномеров, а также устраняет риск ложных срабатываний. Эти устройства применяются во многих областях — от космических технологий до строительства, поэтому важно регулярно совершенствовать и повышать точность их работы.
Еще один прибор, который необходим в различных системах навигации, — гироскоп. Он определяет скорость и направление наклона объекта, на котором установлен. В свое время лазерные гироскопы успешно заменили механические. Сегодня для более высокой точности в мощные навигационные системы помимо лазеров включают спутниковые технологии. Для пилотажно-навигационных комплексов отечественных самолетов специалисты НИИ «Полюс» разработали лазерно-гироскопическую спутниково-навигационную систему.
Помимо «Полюса» разработкой лазерных гироскопов в Ростехе занимаются предприятия концерна «Радиоэлектронные технологии». Устройства КРЭТ входят в состав высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), которые используются в российских самолетах. В этом году специалисты КРЭТ представили систему с блоком лазерных гироскопов для импортозамещенных самолетов SJ-100.
От спорта до досмотра
Лазерные технологии меняют такие сферы, которые зачастую не ассоциируются с научными прорывами. Например, некоторые спортивные дисциплины, такие как триатлон и пятиборье. В 2012 году пятиборцы впервые использовали лазерный пистолет вместо пневматического. Такое устройство испускает луч с определенной длиной импульса. Специальная электронная мишень распознает импульс и выводит результат. У лазерных пистолетов много преимуществ: они более безопасны, поэтому зрители могут находиться ближе к спортсменам, а сами спортсмены могут брать устройства с собой в поездки и тренироваться в любом месте.
Для Федерации современного пятиборья России лазерные пистолеты изготавливает Вологодский оптико-механический завод холдинга «Швабе». Это важная разработка отечественного предприятия, которая позволила заменить иностранные устройства. Лазерными пистолетами, разработанными в Ростехе, также могут пользоваться школьники и участники движения ГТО.
Фото: «Швабе»
Другая сфера, на которую повлияли лазерные технологии, — система весогабаритного контроля на дорогах. Весь грузовой транспорт в России должен проходить проверку на соответствие нормам по весу и габаритам в специальных досмотровых пунктах. Для измерения используются как обычные платформенные весы, так и современные автоматические системы и лазерные сканеры, которые работают без оператора. Когда транспортное средство проезжает по дороге, специальные датчики, расположенные под дорожным покрытием, с помощью лазерных или инфракрасных сенсоров фиксируют его вес и другие параметры.
В 2021 году в рамках нацпроекта «Безопасные качественные дороги» НИИ «Полюс» разработал первый отечественный лазерный сканер для автоматических пунктов весогабаритного контроля. Сканер может с точностью до 20 мм измерить параметры любого транспорта, движущегося со скоростью до 110 км/ч. Разработка «Полюса» способна полностью заменить иностранные устройства. Помимо этого, холдинг «Швабе» установил несколько автоматических пунктов контроля на трассах в Ленинградской и Ярославской областях. Система в этих пунктах моментально измеряет параметры транспортного средства и автоматически передает их в центр фиксации административных правонарушений. Проект был реализован в рамках программы Федерального дорожного агентства для повышения безопасности на дорогах.
Лазер-сканер для габаритного контроля. Фото: «Швабе»
Специалисты «Полюса» продолжают исследовать лазерные технологии совместно с российскими учеными и различными предприятиями. К примеру, разрабатывают излучатели новых типов, которые могут применяться в медицине, дальнометрии и информационных системах. Совместно с РАН проводятся исследования и разработка квантово-каскадных лазеров. Это полупроводниковые лазеры, которые излучают свет в среднем инфракрасном диапазоне. Они потребляют меньше энергии без потери эффективности и лучше настраиваются под конкретные задачи. Оборудование на основе квантово-каскадных лазеров может использоваться в экомониторинге, астрономических, биологических и медицинских исследованиях, газовой и нефтяной промышленности.
Несмотря на более чем 60-летнюю историю, лазеры далеко не исчерпали свой потенциал и продолжают совершенствоваться, находя все новые области применения. Предприятия Госкорпорации Ростех развивают отечественные научные традиции и активно работают в области современных лазерных технологий, чтобы сделать жизнь людей лучше.