В этом году «Оптика лазеров» проходила с 20 по 24 июня в смешанном формате. В течение пяти дней ученые выступали на симпозиумах, пленарных, параллельных и стендовых сессиях. Они были посвящены разным направлениям лазерной физики, оптики и фотоники: полупроводниковым, мощным лазерам и лазерам на свободных электронах, квантовой оптике, нелинейной фотонике, биомедицинским приложениям и многому другому. Еще у исследователей была возможность выступить с докладом на седьмом Международном симпозиуме им. А.М. Прохорова по биофотонике, круглом столе, посвященном столетию лауреата Нобелевской премии по физике Николая Басова, получить знания на международных летних школах, а также рассказать и показать результаты своей работы на выставке «Лазеры и фотоника».

В этот раз свои разработки на выставке представили четверо молодых ученых ИТМО — это аспиранты и научные сотрудники разных подразделений университета. Они показали двухканальный переносный микроскоп, оптический интеррогатор, фоточувствительный в УФ- диапазоне полупроводниковый фотодиод и систему непрерывного мониторинга состояния пациентов.

«Участие в выставках — хорошая возможность апробировать свою работу, и это станет дополнительным преимуществом при защите диссертации. Наши участники — это молодые ученые, в том числе руководители практико-ориентированных научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ. Будучи студентами или аспирантами, они смогли собрать команду для реализации своей идеи, стать непосредственным руководителем проекта и победить в конкурсе на выполнение ПО НИОКТР, который проводится в нашем университете в марте уже много лет с финансовой поддержкой до 2,5 млн рублей в год. По итогам конкурса отбираются команды, которые по окончании проекта должны представить полноценный опытный образец и техническую документацию с перспективой дальнейшего масштабирования и коммерциализации своей разработки», — пояснила аспирантка первого курса факультета безопасности информационных технологий и представитель центра студенческой науки, конференций и выставок ИТМО Наталия Карманова.

Близко — далеко

В конце марта 2020 года команда аспирантки третьего курса института «Высшая инженерно-техническая школа» Анастасии Кожиной победила в конкурсе грантов для практико-ориентированных НИОКТР Университета ИТМО и получила поддержку на разработку двухканального переносного микроскопа. Его особенность и преимущество в том, что в первом объективе можно рассмотреть биологический образец в целом, а во втором — конкретную его область в 40-кратном увеличении. Еще одно достоинство изобретения — возможность проводить исследования образцов на месте, то есть без необходимости транспортировки их в лабораторию.

За два с половиной года исследователи перешли от теоретической части моделирования к реальному образцу, который и представили на выставке. Теперь прибор позволяет рассматривать биоматериал в двух режимах одновременно (в широком поле и в высоком разрешении) и отслеживать изменения в реальном времени без необходимости дополнительных перефокусировок ― достаточно просто передвинуть столик микроскопа. В уже существующих микроскопах сначала нужно рассмотреть весь образец в широком поле, затем поменять объектив в револьверной головке, перефокусироваться на исследуемую область препарата, чтобы получить более детальное изображение и снова вернуться в изначальное положение для определения другой исследуемой части образца. Для этого требуется время, а в процессе фокусировки на постоянно меняющийся объект, например, «живой» крови, можно потерять исследуемую область, в которой произошло изменение.

«Мы планируем доработать конструкторскую и программную части микроскопа. Во-первых, улучшить некоторые оптические характеристики, чтобы сделать разрешение изображения более высоким. Во-вторых, сейчас мы не можем посмотреть на изображении объекта в широком поле, какую часть образца мы видим в изображении с большим увеличением. Другими словами, пока мы можем примерно предположить, где в общей картине находится часть изображения, которая показывается более детализировано другим объективом. Впоследствии мы хотели бы разработать свое приложение, позволяющее не только производить наблюдение образца, но и показывающее, какую часть изображения в широком поле оператор видит во втором, высокоразрешающем канале», — рассказала Анастасия Кожина.

Сейчас исследователи тестируют и проверяют характеристики микроскопа, чтобы доработать его, а в будущем его можно будет предложить больницам, клиническим центрам и ветеринарным клиникам для исследования биологических образцов, в частности для поиска паразитов в крови.

Уследить за колебаниями

Команда ассистента института «Высшая инженерно-техническая школа», научного сотрудника научно-исследовательского центра световодной фотоники Сергея Волковского разработала оптический интеррогатор — прибор для измерения физических параметров различных объектов — деформации, температуры, давления и многих других.

«К нам обратились представители авиаотрасли. Им нужен был прибор, способный в реальном времени отслеживать деформации вертолетных лопастей. Это достаточно дорогостоящий элемент вертолета, и в настоящее время замена лопастей на новые происходит просто по выработке часов, то есть без фактической дефектоскопии. Но при этом не все лопасти расходуют свой ресурс равномерно, поэтому у специалистов появилась потребность отслеживать степень износа лопастей и менять их только по мере необходимости. Это позволило бы не только снизить затраты, но и повысить уровень безопасности полётов», — рассказал Сергей Волковский.

Устройство работает следующим образом. К оптическому интеррогатору подключены специальные датчики — волоконные брэгговские решетки. Интеррогатор содержит лазер с управляемой длиной волны. Излучение с лазера поступает на датчики, которые отражают часть излучения назад в интеррогатор. Он извлекает из отраженного излучения информацию о состоянии датчика и в режиме реального времени передает ее пользователю через цифровой интерфейс. Сжатие или растяжение участка волокна с брэгговской решеткой приводит к изменению ее периода и, как следствие, к изменению спектра ее отражения — именно это и регистрирует интеррогатор.

Один из первых прототипов такого интеррогатора был успешно испытан на винте действующего вертолета. В лопасти были встроены массивы брэгговских решеток, интеррогатор производил измерения и передавал информацию о деформации лопастей оператору по беспроводному интерфейсу. Как отмечают авторы проекта, сейчас устройство представляет собой предсерийный образец и после ряда мелких доработок может стать серийным изделием.

Применять интеррогатор можно для разных задач ― не только в авиации, но и, например, в строительстве для мониторинга целостности объектов инфраструктуры, трубопроводов, железных дорог, зданий и сооружений и даже в космосе, чтобы следить за температурными измерениями в условиях, где датчики другого типа невозможно применить по разным причинам.

Под защитой от ультрафиолета

Уже сегодня на рынке представлены разные варианты фотодиодов на основе различных полупроводниковых материалов, в том числе и широкозонных на основе карбида кремния, нитридов металлов третьей группы и так далее. Однако их чувствительность гораздо ниже в глубоком ультрафиолетовом диапазоне, поэтому они не могут с точностью обнаружить излучение в этой спектральной области. Но это можно исправить. Команда аспиранта первого курса и инженера Института перспективных систем передачи данных Андрея Иванова создала фоточувствительный полупроводниковый прибор на основе оксида галлия (Ga2O3), представляющий собой структуру фотодиода с барьером Шоттки.

На выставке ученые представили один из компонентов фотодиода — приборную структуру оксида галлия с омическим контактом из индия и контактом Шоттки из золота, которую в дальнейшем поместят в корпус. При попадании глубокого ультрафиолетового излучения на активную область фотоны передают энергию электронам в валентной зоне и заставляют двигаться через запрещенную зону. Благодаря этому возникает фототок больший, чем темновой, и это говорит о присутствии ультрафиолетового излучения. При этом если на фотодиод попадает видимый свет или инфракрасное излучение, энергии будет недостаточно для межзонного перехода и поэтому видимых изменений на вольт-амперную характеристику не будет.

Сейчас группа исследователей проводит испытания фотодиодов собственной разработки в рамках третьего этапа ПО НИОКТР, в частности улучшает фоточувствительность и корпусирует приборную структуру. Как утверждают разработчики, изобретение может найти применение в различных сферах.

«Есть определенные факторы, в частности глубокое ультрафиолетовое излучение, которое может быть вредным для человека. Поэтому мы разработали фотодиод, который отслеживает такое излучение. Устройство можно использовать в большом количестве областей. Например, в специальной технике, используемой в медицине и биологии для помощи людям с заболеваниям кожи, для обнаружения высоковольтных разрядов на линии электропередач и пламени различного происхождения на заводах с опасным производством, ультрафиолетовой спектроскопии, для создания систем связи, контроля озонового слоя или даже астрономических наблюдений», — пояснил Андрей Иванов.

Браслет для спасения жизни

Аспирант второго курса института перспективных систем передачи данных и младший научный сотрудник лаборатории однофотонных детекторов и генераторов Даниил Ширяев вместе с коллегами создал систему для автоматического мониторинга состояния пациентов, которые находятся в коме или на ранних стадиях реабилитации. Сейчас уже есть несколько неинвазивных и инвазивных способов отслеживания изменений состояния больных, но, в отличие от них, разработка ученых ИТМО помогает визуализировать получаемые данные.

Медицинский датчик (термометр и пульсоксиметр) надевается на палец пациента и считывает три параметра — частоту сердечных сокращений, температуру тела и насыщенность крови кислородом. Первичные данные отправляются и обрабатываются в блоке управления. Там алгоритм определяет, попадает ли полученное значение в рамки нормы или нет. Если всё в порядке, блок управления посылает определенные сигналы серверу и браслету, и светодиодная лента на нем продолжает светиться зеленым. В противном случае она меняет свой цвет в зависимости от того, какой из параметров нарушен, и начинает мигать, создавая эффект волны. Также врач получает сообщение о чрезвычайной ситуации на смартфон.

Изменение цвета и пульсации светодиодной ленты на браслете при повышении температуры пациента. Видео предоставлено авторами проекта

Сейчас исследователи разработали макет устройства и пишут рабочую конструкторскую документацию для опытного образца. Осенью планируется сборка опытного образца и его испытания в Российском научно-исследовательском нейрохирургическом институте им. проф. А.Л. Поленова.

«Мониторинг состояния пациентов больниц ведется с помощью прикроватных мониторов, которые расположены в основном в отделениях реанимации и интенсивной терапии. Но когда пациент попадает в отделение реабилитации или общую палату, возникает проблема: мониторов нет, а непрерывно отслеживать состояние человека всё еще важно. Браслет поможет интуитивно понять, какой параметр повысился или понизился, и это сэкономит время медицинского персонала при принятии решения. Также мы хотим разработать мобильное приложение, чтобы после возвращения домой после больницы человек и его родственники продолжали отслеживать состояние», — рассказывает Даниил Ширяев.

Помимо этого, ученые планируют интегрировать к браслету шлем для энцефалографии, чтобы анализировать биоэлектрическую активность головного мозга, и разработать программное обеспечение, которое ускорит предварительный анализ энцефалограммы и поможет визуализировать результаты исследования. Шлем позволит не только повысить надежность наблюдения, но и изучить процессы хронического нарушения сознания.