Развернутый научный отчет о реализации программы создания и развития научных центров мирового уровня «Центр фотоники» за 2021 год.

Программа внесла значительный вклад в реализацию приоритетных направлений развития РФ в пяти бурно развивающихся в настоящее время разделах фотоники: 1. Силовая и адаптивная оптика 2. Волоконная оптика 3. Биофотоника 4. Нанофотоника 5. Квантовая оптика 1. Силовая и адаптивная оптика Вклад силовой оптики (методы и технологии мощных лазеров) в реализацию приоритетного направления «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта» заключается в создании как новых лазеров для интеллектуальных производственных технологий, так и новых оптических материалов, открывающих новых научные направления и технологии. Одна из целей программы - создание фемтосекундного лазера со средней мощностью 1 кВт, несомненно востребованном для параллельной обработки материалов в технологическом производстве , для литографии нового поколения, а также для новых научно-технологических областей, таких как фазоконтрастный имиджинг, генерация рентгеновского излучения, генерация аттосекундных импульсов. Разработка фемтосекундных лазеров двухмикронного диапазона, которые позволят впервые осуществить прецизионную обработку таких материалов, как кремний, германий и различных полимеров и занять лидирующие позиции в передовых производственных технологиях. Создание высокочастотных (с возможностью перестройки частоты следования импульсов) источников ультракоротких лазерных импульсов для передачи данных между центрами обработки больших объемов данных и использования в машинном зрении роботизированных систем. Будут исследован целый ряд новых материалов, а также разработаны технологии их изготовления. В частности, технология трехмерной лазерной модификации (микроструктурирования), технология создания оптических волноводных структур в халькогенидных стеклах различного компонентного состава и создание на их основе элементов оптофотоники, технология оптимизации состава сердцевины исходных преформ для создания многосердцевинных волоконных световодов, технология создания конусных волоконных световодов для мощных импульсных лазеров, технология создания теллуритных и халькогенидных стекол с заданными свойствами, что позволит впервые создать волоконные лазеры в ИК диапазоне. Особое место в программе занимает создание уникального, не имеющего аналога прибора для измерения сверхмалых концентраций примесей в кварцевых стеклах для тиглей, в которых плавят кремний для больших интегральных схем и солнечных батарей. Это позволит осуществлять дальнейшее очищение стекол, что, в свою очередь, приведет к развитию технологии производства больших интегральных схем и к улучшению параметров солнечных батарей. Фундаментальные и прикладные исследования в рамках программы внесут вклад в «Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных)», поскольку будут доведены до конкретных разработок в интересах создания научного и технологического задела в области высокотехнологичного здравоохранения, включающих разработку методов терагерцовой интроскопии для контроля качества фармакологических препаратов. В частности, планируется создание прототипа терагерцового интроскопа для массового контроля внутренней структуры таблеток и их отбраковки на производственной линии, оснащенной специально разработанным программным комплексом анализа получаемых данных и их автоматического сравнения с критериями отбраковки. При создании прототипа терагерцового интроскопа предполагается использовать источник терагерцового излучения, разработанный сотрудниками центра, с рекордным значением эффективности оптико-терагерцовой конверсии, что позволит обеспечить высокое отношение сигнал/шум. 2. Волоконная оптика Перспективные волоконные лазерные системы несомненно соответствуют «Переходу к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта», поскольку они являются частью многих интеллектуальных производственных технологий в промышленности и медицине, они способны оказать влияние на получение новых материалов. В тоже время само их развитие также требует разработку новых материалов и способов конструирования. Одна из целей программы - разработка новых волоконных лазерных систем с предельными параметрами, соответствующими и даже превосходящими мировые аналоги. Волоконные лазеры среднего ИК диапазона могут стать первыми в мире прототипами, которые могут быть реально положены в основу коммерческих лазеров среднего ИК, и здесь можно подчеркнуть возможность достижения принципиально новых научных направлений и технологий. Выполнение запланированных исследований позволит также решить следующие задачи. Разработка структуры активных многосердцевинных волоконных световодов, позволяющих осуществлять когерентное сложение пучков лазерного излучения, что даст возможности улучшения параметров волоконных лазеров и усилителей, для передовых производственных технологий, в частности, новых поколений установок, использующих аддитивные технологии для конструирования новых типов изделий. Создание новых оптических материалов для существенного улучшения параметров волоконных лазеров и усилителей, таких как технология получения активного материала из пористого стекла, - принципиально новый научно-техническим результат, который станет предпосылкой для формирования новых научных направлений и технологий. Создание конусных волоконных световодов для импульсных лазерных систем, что обеспечит увеличение в активных волокнах порога нелинейных эффектов и создание лазеров с ультракороткими импульсами с высокой пиковой мощностью и высокой средней мощностью, которые являются ключевыми элементами в принципиально новой, бурно развивающейся технологии микрообработки материалов. Разработка нового поколения датчиков на многосердцевинных волоконных световодах, что обеспечит улучшение измерений температуры, давления и деформации, а также гидроакустических сигналов в интеллектуальных системах и в передовых производственных технологиях. Разработка линейки волоконных лазеров, которые позволят выйти на новый технологический уровень для задач высокоточной лазерной сварки, резки, микрообработки материалов, для высокоточной обработки передовых полимерных и композитных материалов, а также для технологий аддитивного производства (3D печать). Разработка нового измерительного оборудования на основе оптоволоконных приборов, предназначенного для внедрения в высокотехнологичные отрасли экономики, такие как прецизионная машинообработка, диагностика конструкций и других. Внедрение подобного оборудования позволит повысить автоматизацию и цифровизацию соответствующих технологических цепочек. 3. Биофотоника Развитие методов высокотехнологического здравоохранения, в частности, средств биомедицинской диагностики, требует использования современных цифровых технологий, таких как обработка больших объемов данных в режиме реального времени, а также применения интеллектуальных методов машинного обучения для сопоставления искомых физиологических параметров и диагностических данных используемых систем. Это направление исследований полностью соответствует направлению «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта». Выполнение программы исследований подразумевает развитие семейства мультиспектральных оптических систем, основанных на принципах оптической диффузионной спектроскопии и оптико-акустической визуализации, а также методов мультимодальной оптической когерентной томографии (ОКТ) и ОКТ микронного разрешения. Это требует развития технологий обработки больших объемов диагностических данных в режиме реального времени, что, в частности, требует эффективного использования вычислителей с параллельной архитектурой. Развитие подходов к формированию трехмерных изображений, содержащий комплементарную функциональную информацию. в системах оптической диагностики (ОКТ, мультиспектральные методы) требует также развития новых аналитических и численных моделей распространения излучения в сложных биологических объектах, в том числе на основании принципов статистического моделирования. Будут развиты эффективные численные методы фазовой обработки ОКТ-сигнала, анализа многопараметрических данных и построения высокоинформативных мультимодальных изображений. Эффективное определение физиологических параметров исследуемых биологических объектов на основании диагностических данных будет развиваться с помощью методов машинного обучения и искусственного интеллекта, причем комплементарное использование модельных и экспериментальных данных для создания обучающей выборки обеспечит преимущество разрабатываемых алгоритмов. Отдельно следует отметить развитие методов высокоэффективной интеллектуальной обработки потокового видео, направленных на выявление пространственно-временных характерных паттернов для задач нейроимиджинга и агрофотоники. Реализация программы полностью соответствует также направлению «Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных)», поскольку внедрение в клиническую практику разрабатываемых систем оптической диагностики нового поколения, обеспечивающих расширенную функциональность по сравнению с используемыми в настоящее время средствами высокотехнологической диагностики, позволит получить дополнительную диагностическую информацию и будет способствовать персонализации выбора тактики лечения. Развиваемые на этой основе уникальные диагностические методы, несомненно превосходящие мировой уровень, будут тестироваться в лабораторных и клинических биомедицинских исследованиях и внесут вклад в развитие персонализированной медицины социально значимых заболеваний (в т.ч. в онкологии, гинекологии, стоматологии и др.). Применение мультимодальной ОКТ, включающей кросс-поляризационную ОКТ, ОКТ ангиографию, ОКТ эластографию в комбинации с автофлуоресцентным имиджингом, планируется для решения проблемы прижизненной и, что особенно важно, объективной оценки биотканей при разных состояниях и патологиях. Отдельным направлением, которое будет активно развиваться в рамках проекта, является оптическая тераностика, сочетающая методы оптической терапии с методами оптической диагностики. В рамках проекта будет развит метод фотодинамической терапии (ФДТ) с использованием фотосенсибилизаторов (ФС) нового поколения на основе производных порфиринов и тетраазопорфиринов. В основе ФДТ лежит локальная активация накопившегося в ткани флуоресцентного красителя-ФС видимым светом, что в присутствии кислорода тканей приводит к развитию свободно-радикальных реакций и, в конечном итоге, к гибели клеток-мишеней. Изучение механизмов внутриклеточного распределения ФС является важным этапом при разработке новых препаратов для ФДТ. Флуоресцентные свойства разрабатываемого ФС нового поколения позволят визуализировать его распределение в организме методами оптического имиджинга. Исследования нарушений функций нервной системы дегенеративного характера, а также ишемических заболеваний головного мозга – важное направление , в котором методы современной фотоники имеют высокий потенциал. Чрезвычайно важным для понимания патофизиологии и разработки методов терапии заболеваний центральной нервной системы является разработка новых экспериментальных моделей, позволяющих исследовать роль различных типов клеток нервной системы в развитии нейродегенеративных процессов на нейросетевом уровне. Перспективным является создание новых научных и терапевтических подходов с использованием методов оптогенетики. Данный проект направлен на исследование роли астроцитов при нормальном старении и болезни Альцгеймера, а также разработку оптогенетического метода частичной коррекции возрастных изменений адаптационных механизмов головного мозга. Вклад в «Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, разработку и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранение и эффективную переработку сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания» внесет успешная реализация исследований методов оптического имиджинга и создание на их основе новых аппаратных комплексов для ранней и дистанционной диагностики поражения растений фитопатогенами. Разработанные комплексы станут базой, позволяющей получать значительные массивы данных, характеризующих пространственное распределение поражения и изменений продукционного процесса у растения. Характерные изменения оптических показателей инфицированных областей лягут в основу разработки методов раннего выявления заболеваний растений. Важным направлением дальнейшего развития комплекса методов и средств детектирования патогенов станет создание методики быстрого скрининга эффективности пестицидов. В рамках данного направления также будет разработана, не имеющая аналогов, система дистанционной характеризации почв сельхозназначения на основе библиотеки спектральных портретов различных типов благоприятных для фитопатогенов и «здоровых» почв. Кроме этого будут созданы фотоконверсионные полимерные покрытия для теплиц, что обеспечит увеличение продуктивности тепличных агрохозяйств, особенно в зонах рискованного земледелия; существенное уменьшение расходов выращивания солнцелюбивых культур и сдвиг границы рентабельного использования теплиц на север; получение существенных преимущества агропромышленным тепличным комплексам, находящихся в зонах рискованного земледелия при выращивании культур требовательных к режиму освещения. Отдельным направлением будет разработка лидарных технологий диагностики состояния полей и лидарный мониторинг тепличных растений, что позволит реализовать повышение продуктивности посевных площадей агрохозяйств, уменьшение затрат на мониторинг больших площадей, повышение точности прогноза урожая. Реализация таких комплексных исследований (реализация единой цепочки: прибор – методы анализа – программный инструмент) позволит получить принципиально новые научно-технические результаты, превосходящие мировой уровень разработок в этой области и создающие предпосылки для создания новых технологий. В частности, эти технологии будут, в перспективе, использованы при создании роботизированных систем по выращиванию сельскохозяйственных растений в условиях открытого и защищенного грунта, что станет важным шагом по переходу к высокопродуктивному и экологически чистому агрохозяйству в Российской Федерации. 4 Нанофотоника Вклад в реализацию приоритетного направления «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта» заключается в следующем. В рамках проекта развиваются физические основы бесшаблонной рентгеновской литографии – ключевой технологии изготовления микро(нано)электронной компонентной базы, определяющей степень интеграции, быстродействие, энергопотребление и др. технические параметры микросхем. Прорывной характер этой технологии проявляется в решении глобальной проблемы современной микроэлектроники – обеспечение современных топологических норм при слабой зависимости стоимости технологического процесса от объемов производства. Для России эта технология в кратчайшие сроки может решить проблему ликвидации технологического отставания в области создания сверхбольших микросхем для контрольной и вычислительной техники. В рамках проекта планируется разработка сенсорных систем, позволяющих осуществлять непрерывный мониторинг состояния конструкций (в том числе в самолетостроении) является крайне актуальной задачей в создании современных «умных» материалов. Созданные в рамках проекта полупроводниковые лазеры на основе квантовых ям HgTe/CdHgTe, излучающие в окне прозрачности атмосферы 3–5 мкм найдут широкое применение для газового анализа. В этом диапазоне лежат фундаментальные линии поглощения многих распространённых газовых соединений: CO, CO2, NOx, SO2, CH4, которые зачастую являются основным фактором загрязнения окружающей среды. Компактные и энергоэффективные приборы, состоящие из системы излучатель-фотоприемник на основе HgTe/CdHgTe, могут быть использованы для быстрой регистрации содержания этих соединений в газовой среде в местах повышенного риска, таких как шахты, ТЭС, и иные промышленные предприятия, а также для мониторинга окружающей среды, состава выхлопных газов автомобилей и др.