Развернутый промежуточный отчет о реализации программы создания и развития научного центра мирового уровня "Центр фотоники ИОФ РАН" по приоритету научно-технологического развития "Передовые цифровые технологии и искусственный интеллект, роботизированные системы, материалы нового поколения"

По направлениям работы НЦМУ в 2021 году получены следующие результаты: (38). Создание непрерывных и импульсных двухмикронных и двухволновых волоконных и твердотельных лазеров и исследование их воздействия на биоткани. Проведено сравнение результатов воздействия на свиные мышечные ткани ex-vivo уникальной гольмиевой волоконной лазерной системы, генерирующей ультракороткие импульсы длительностью 0.9 пс и непрерывного гольмиевого волоконного лазера с длиной волны 2.1 мкм. Проведено воздействие на кожу мыши in-vivo непрерывным излучением мощностью 1 и 1.5 Вт при скорости лазерного реза 0.25 и 1 мм/с, а также исследована лимфогемодинамика в лазерной ране и в зоне термического повреждения методом лазерной допплеровской флоуметрии. (39). Создание фотоконверсионных покрытий для теплиц. Разработана технология нанесения металорганических соединений на металлические наночастицы. Показано, что в случае смешивания коллоидных растворов Fe, Au и Zn, Se, полученных при помощи лазерной абляции в жидкости, происходит осаждение мелких частиц с размерами порядка 10-20 нм (Au и Se) на более крупные частицы с размерами от 50 нм до 200 нм (Zn и Fe). Показано, что размеры вспышек плазмы, интенсивность свечения и время достижения максимума интенсивности оказываются сосредоточены около определенных значений. Так, например, для максимальных размеров вспышек наиболее характерны значения в 30 мкм. Максимум свечения как правило достигается за 3-4 нс. Показано, что развитие оптического пробоя может происходить по двум сценариям - инициироваться на одной наночастицe или на нескольких близко расположенных частицах. (40) Разработка лидарных технологий диагностики состояния полей. За отчётный период были проведены исследования по лазерной флуоресценции образцов почв с помощью импульсного лидара с тремя длинами волны возбуждения (1064, 532, 355 нм). Разработан ультракомпактный флуоресцентный лидар (масса 300 г) на основе непрерывного лазера и дифракционного миниспектрометра для флуоресцентной диагностики с борта лёгких беспилотных авианосителей, а также создан безопасный для глаз компактный лидар для оценки биомассы сельскохозяйственных культур. Разработан алгоритм интерпретации спектров лазерной флуоресценции для различных образцов. (43). Развитие и апробация оптических и индукционных методов регистрации наночастиц с магнитными и не магнитными сердцевинами. Синтезированы наноконъюгаты антител с частицами с магнитными и не магнитными сердцевинами для адресной доставки к молекулам-мишеням, в частичности для магнитофекции. Разработан стенд для томографии гибридных наночастиц и визуализации их распределения в теле лабораторных животных для направленной доставки лекарственных препаратов. Выявлены основные закономерности циркуляции в кровотоке животных наночастиц в зависимости от целого ряда параметров и особенностей фагоцитоза. (46) Разработка лазерно-спектроскопических методов исследования структурных изменений в биологических молекулах. С помощью оптических методов (интерферометрия, динамическое светорассеивание и спектроскопия) в режиме реального времени исследована денатурация яичного лизоцима при совместном действии химических детергентов. Впервые получена комплексная информация о характере динамики изменений состояния белка и его гидратной оболочки в ходе реакции денатурации. Выявлены димерные структуры субмикронного размера в растворе чистого фибриногена, удлиненные структуры микронной длины и прямоугольные структуры в образце фибриноген-тромбин. Показатели преломления всех структур, оцененные по оптической толщине, варьируются от 1,53 до 1,62. (47) Активация макрофагов при фотодинамической терапии опухолей, как способ управления локальным иммунным ответом пациента Разработаны, изготовлены комплектующие для усовершенствования спектрометрической установки с волоконно-оптическим зондом, позволяющим проводить измерения времени жизни флуоресценции в биологических тканях in vivo. Создан макет спектрометрической установки, включающей: импульсные лазерные источники излучения с волоконным выходом, полихроматор с расширением на БИК диапазон, программное обеспечение для автоматической обработки результатов исследований по количественной оценке, содержания макрофагов М1 и М2 типа в биологических тканях. С использованием разработанного макета продемонстрировано отличие количественного содержания макрофагов М1 и М2 типа в опухолевой и нормальной ткани. (48) Создание активных и пассивных многосердцевинных волокон для линий задержки и суммирования пучков лазерного излучения Проведена работа по исследованию активного материала для преформ многосердцевинных световодов, полученного инновационным методом путем пропитки нанопористых стекол с дальнейшим спеканием и оптимизации этого метода получения активного материала для преформ, легированных оксидами диспрозия и висмута. Вариации показателя преломления по сечению сердцевины снижены до уровня менее 1х10-3. Разработана концепция измерения деформации с использованием новых возможностей, предоставляемых многосердцевинными структурами. Предварительные расчеты повышения точности измерения проверены на разработанном и изготовленном макете датчика изгиба. Измеренная чувствительность датчика изгиба составила 81 пм/м. Результаты проверки станут основой дальнейшей оптимизации конструкций устройств. (49) Создание и исследование волоконных лазерных систем с ультракороткими импульсами и высокой частотой повторения. В гантелевидном резонаторе с синхронизацией мод на основе нелинейно вращения плоскости поляризации впервые продемонстрирована гармоническая синхронизация мод на частоте следования импульсов 28 МГц. Максимальная полученная частота следования импульсов составила 186 МГц. В случае представленного резонатора наиболее выгодным решением является использование поглотителей с амплитудой просветления около 50%. Разработан стенд для анализа спектральных и характеристик выходного излучения лазеров ультракоротких импульсов в режиме реального времени. (50) Создание и исследование волоконных лазерных систем с короткими (нано- и микросекундными) импульсами. Разработана технология создания конусных эрбиевых световодов с диаметром сердцевины со стороны толстого конца вплоть до 100 мкм. Оптимизация параметров такого световода позволила увеличить эффективность преобразовании накачки в сигнал в таком световоде до 18%. Экспериментальное исследование усиления суб-наносекундных импульсов при помощи разработанного световода позволило установить мировой рекорд в плане пиковой мощности - 211 кВт для импульса с неискаженным спектром и более 360 кВт для импульсов со спектральной шириной менее 2 нм. Данный рекорд почти в два раза превышает максимальные значение, полученное другими исследовательскими группами ранее.