Фотоника и ее сверхсовременная составная часть – лазерные технологии являются комплексным звеном, объединяющим следующие технологические сектора исследовательской и инновационной деятельности: информационно-телекоммуникационные технологии, науки о жизни и здоровье, оборона и безопасность, освещение и энергетика. Именно достижения в области фотоники и квантовых технологий будут определять развитие и прогресс в перечисленных секторах. Сегодня фотоника входит в перечни приоритетных направлений развития науки и техники России и ряда ведущих стран мира.
Потенциал УлГУ по направлению превосходства «Фотоника»
В университете действует научный коллектив, способный решать передовые и актуальные задачи в рамках данного научного направления. Развивается научная школа для воспитания научных кадров высшей квалификации по указанному направлению, востребованных как в России, так и за рубежом. В рамках коллектива сотрудничают 5 докторов наук, 20 кандидатов наук, аспиранты, студенты. Коллектив известен своими исследованиями в области нелинейной оптики, физики лазеров, квантовой электроники и оптоэлектроники. Более 50% коллектива – это молодые ученые, обладающие достаточной квалификацией для выполнения экспериментальных и теоретических работ различной степени сложности. Наличие хорошей технологической базы и обширных научных связей позволяет реализовать целый ряд проектов в области оптоэлектроники, нелинейной оптики, волоконных лазеров. Для решения амбициозных задач коллектив исследователей УлГУ объединяет компетенции многих его членов (теоретиков, экспериментаторов, инженеров), сотрудничает с ведущими российскими (ИНМЭ РАН, ИАиЭ СО РАН, ИРЭ РАН, ИОФ РАН, НГУ, МГУ, Сколтех, НПК ТЦ) и международными (Imperial College, UK; ORC, Finland; Aston University, UK; CICESE, Mexico; UMONS, Belgium; Университет технологий г. Рурки (Индия); Высшая школа г. Брест (Франция)) научными центрами. Для решения проблемы кадрового разрыва между высокоуровневыми научно-технологическими проектами научных подразделений университета и научной деятельностью на кафедрах и факультетах и недостаточного притока квалифицированных молодых специалистов по направлениям превосходства создана и оснащается трансферная учебно-научная лаборатория «Фотоника». Эта лаборатория встроена в учебный процесс, является одним из центров подготовки студентов по приоритетному направлению «Фотоника», через данную лабораторию осуществляется трансляция результатов деятельности Научно-исследовательского технологического института им. С.П. Капицы для специалистов, студентов и школьников, что будет позиционировать университет как центр превосходства в регионе.
Такое сотрудничество позволяет получать уникальные материалы для исследований, использовать уникальное исследовательское оборудование, осуществлять научный обмен, повышать квалификацию, что обеспечивает удержание коллективом передовых позиций в России и в мире по направлению квантовой электроники и оптоэлектроники, а также по направлению радиационных технологий и биофизики.
Целью проводимых исследований является не только теоретическое понимание, моделирование, но и демонстрация макетов лазерных систем с передовыми параметрами. Полученные на сегодняшний день результаты находятся на уровне мировых стандартов, а по ряду позиций обладают мировым приоритетом, опережают аналогичные зарубежные разработки в области нелинейной оптики. Работа коллектива дважды (в 2014-2018 и 2021-2023 гг.) поддержана грантами Правительства РФ для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего образования (Постановление Правительства Российской Федерации от 09.04.2010 №220).
С 2019 г. активно развивается исследовательская деятельность по направлению «Биофотоника». Соответствующие исследования проводятся совместно с группами Т.П. Генинг и Ю.В. Саенко, а также со специалистами университета г. Астон (Великобритания). В рамках исследовательской программы за два года опубликовано 5 работ в ведущих профильных журналах. Получены первые результаты, указывающие на возможность эффективного использования лазерного излучения для управления биохимическими процессами на клеточном уровне. Продолжаются совместные исследования с зарубежными научными центрами в контексте разработки в УлГУ технологии оптоакустического сканирования живых тканей, многомерного флуоресцентного мечения, спекл-анализа живых тканей. Заключены соглашения о проведении совместных НИОКР по созданию лазерных устройств нового типа – компонентов интегральной оптоэлектроники (плазмонных лазеров на основе углеродных нанотрубок) и модификации импульсных лазеров с использованием насыщающихся поглотителей нового типа на основе углеродных нанотрубок. Технологии важны для моделирования поведения новых РФП в раковых опухолях, разработки методов лечения кожных и аутоиммунных заболеваний с использованием лазеров.
В настоящее время значительные усилия коллектива направлены на реализацию долговременных целей в области микроволновой фотоники. Микроволновая фотоника – это обширная, быстроразвивающаяся область фотоники, которая решает задачи приема, передачи и обработки радиосигналов методами фотоники. Данная область исследований находится на стыке лазерной физики, радиоэлектроники, интегральной оптики, компьютерных и информационных наук. Ее цель заключается в том, чтобы заменить сложные, дорогие, часто громоздкие радиоэлектронные устройства (процессоры) более простыми, дешевыми и компактными оптоэлектронными устройствами, объединяющими такие базовые элементы, как лазеры, волноводы, оптические модуляторы, детекторы, представленные в универсальном и компактном формате. Реализация таких устройств в виде интегральных оптических чипов является современным трендом, в контексте которого работают ведущие мировые компании, такие как INTEL (USA), IMEC (Belgium), CUDOS (Australia).
С 2021 г. в УлГУ успешно реализуется научно-исследовательский проект «Разработка генераторов гребенчатого спектра для применений в микроволновой фотонике, спектроскопии и системах высокоскоростной обработки данных» (рук. Джеймс Тейлор), поддержанный грантом Правительства РФ для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего образования (Постановление Правительства Российской Федерации от 09.04.2010 №220). За период 2021-2022 гг. в рамках данного проекта было опубликовано 32 труда, разработаны и продемонстрированы 3 экспериментальные модели узкополосных лазеров, превосходящие существующие аналоги по набору потребительских характеристик.
По этому же направлению в 2022 г. была продолжена работа по двум проектам РНФ – «Физика волоконных лазеров – генераторов высокочастотных последовательностей ультракоротких импульсов. Разработка лазеров для применений в метрологии, оптической связи, медицине, продолжение» и «Разработка элементной базы Бриллюэновской фотоники, продолжение», а также получил поддержку новый проект под руководством молодого ученого НИТИ им. С.П. Капицы Столярова Д.А. «Перспективные волоконные лазеры диапазонов 1265 нм и 1700 нм для задач биологии и медицины». В настоящее время опытный образец солитонного лазера способен вырабатывать импульсы длительностью в одну триллионную долю секунды, пиковая мощность которых исчисляется единицами и десятками ватт. Но в дальнейшем планируется добиться сокращения длительности импульса до нескольких фемтосекунд – квадриллионных долей секунды, после чего пиковая мощность этих импульсов будет исчисляться уже сотнями киловатт.
Также выполнены НИОКР в интересах спецзаказчиков по разработке компонентов устройств специального назначения на основе элементной базы фотоники и НИОКР по теме «Разработка системы защиты ВОК от вибрации» (заказчик – ООО «Единство» ГМК «Норникель» – магистральный оператор связи, предоставляющий высокоскоростные каналы связи на базе собственной ВОЛС в Норильском промышленном регионе).
На 2023 г. в рамках направления научного превосходства «Фотоника» были поддержаны Российским научным фондом два новых проекта – «Новые устройства фотоники на основе многофункциональных мультипериодических магнитофотонных структур» (рук. Дадоенкова Н.Н.) и «Разработка моделей источников ультракоротких импульсов и широкополосных генераторов линейчатого спектра на основе неоднородных волоконных световодов с изменяемыми по длине дисперсионными и нелинейными параметрами» (рук. Абрамов А.С.), реализация которых будет осуществляться на базе университета в 2023-2024 гг.
В рамках данного направления в декабре 2022 г. состоялась защита кандидатской диссертации сотрудника НИТИ им. С.П. Капицы Глухова И.А. Работа выполнена под совместным международным руководством (науч. рук. от УлГУ – к.ф.-м.н. Моисеев С.Г., науч. рук. с французской стороны – доктор Флориан Бентивенья (Florian Bentivegna)) в рамках проекта «Функциональные гетероструктуры для устройств фотоники и магнитофотоники в ТГц-СВЧ-диапазонах», поддержанного Национальной школой инженеров г. Брест (ENIB, Франция).
В 2022 г. объем финансирования НИОКТР по данному направлению составил 42,9 млн руб. Результаты работ представлены в 29 статьях, проиндексированных в ведущих мировых системах научного цитирования Scopus и Web of Science, получено 4 охранных документа на созданные результаты интеллектуальной деятельности.