В неисследованном диапазоне
- 15.11.2023
Направленный вай-фай, способный преодолеть космические масштабы, и голограммы из научно-фантастических фильмов перестали быть выдумкой благодаря учёным. Создавать терагерцовое будущее им помогают закрученные пучки. Но смогут ли исследователи выбраться из терагерцовой «ямы»? И что это вообще такое?
Лаборатория с уникальной установкой — Новосибирским лазером на свободных электронах (НЛСЭ) спряталась между зданием Института химической кинетики и горения СО РАН и Институтом лазерной физики СО РАН. Ускорительный комплекс, укрытый железобетонным саркофагом и занимает два этажа. Он является мощным источником, который помогает изучать труднодоступный терагерцовый (ТГц) диапазон частот электромагнитного (ЭМ) спектра. На НЛСЭ работает Наталья Осинцева, младший научный сотрудник лаборатории 8-1 ИЯФ СО РАН. Наталья рассказала о своей работе, о перспективах своих исследований и о том, почему бывает сложно писать научные статьи.
Наталья и НЛСЭ: «Очень забавно будет выглядеть, я работаю, что-то подкручиваю, но в деловом пиджаке». Фото Е. Койновой
— Расскажите, какие исследования вы проводите?
— Я занимаюсь формированием оптических вихрей, в частности бесселевых пучков. Это раздел дифракционной оптики, который изучает применение и методы получения пучков излучения электромагнитного спектра, профиль интенсивности которых описывается формулой Бесселя. Их получают с помощью дифракционных элементов. Моя работа направлена на формирование таких пучков и изучение их свойств. Вне поля диссертации, я также занимаюсь применением бесселевых пучков для генерации поверхностных плазмонов и изучением их характеристик.
— Что такое пучки Бесселя?
— Чаще всего мы встречаемся с гауссовым лазерным пучком, его поперечный профиль интенсивности хорошо описывается функцией Гаусса. Именно такой пучок дает нам НЛСЭ. Гауссов пучок обладает условно плоским волновым фронтом, это означает, что если мы его разрежем поперек, то фаза волны будет одинакова на всей площади разреза. У вихревого пучка поверхность постоянной фазы это не плоскость (круг), а трехмерная поверхность в форме винта – геликоида. Поэтому если его разрезать поперек, то в плоскости разреза фаза будет зависеть от угла и для пучка с закрученностью 1 (один винт) пробегать значения от 0 до 2π (0–360°), для закрученности 2 (2 винта) — от 0 до 4π (0–720°), и т.д. При этом на оси пучка (в центре) по понятной причине формируется сингулярность, т.е. неопределенность фазы. Из-за этого профиль интенсивности таких пучков демонстрирует нулевое значение в самом центре на оси, однако вокруг энергия остается и представляет собой некоторое кольцо. Профиль интенсивности бесселевых пучков описывается функцией Бесселя с порядком, соответствующим закрученности, и в поперечном сечении представляет несколько колец с общим центром.
При распространении световые пучки могут встречать амплитудные и фазовые препятствия. Амплитудное насквозь пройти нельзя, это сплошной объект, например, для видимых волн это может быть кружка из непрозрачного материала. Фазовое — это какая-то неоднородность, например, узорчатое стекло (полностью пропускает свет, но изображение за ним остается размытым), а если мы говорим про атмосферу — это туман, смог, аэрозоли и т.д. Если бесселев пучок сталкивается с препятствием, он разрушается, но потом восстанавливает своё распределение интенсивности, как будто ничего и не было, сохраняется возможность зарегистрировать сигнал. Такое свойство этих пучков называют свойством «самовосстановления».
m=0 — плоский волновой фронт или «блинчик»
m=±1 — геликоидный волновой фронт или «пончик»
— Как лазер на свободных электронах (ЛСЭ) помогает изучать бесселевы пучки?
— У лазера гауссов профиль интенсивности пучка, то есть у него плоский волновой фронт, похожий на блинчик в поперечной плоскости сечения. Этот пучок мы пропускаем через дифракционный оптический элемент, который представляет собой кремниевую бинарную фазовую пластинку со спиральным рельефом, таким образом гауссов пучок трансформируется в бесселев.
НЛСЭ. Фото Е. Койновой
— В чём уникальность лазера на свободных электронах?
— Во-первых, его частота излучения лежит в терагерцовом спектральном диапазоне, с которым мы и работаем. С ним связано такое понятие, как терагерцовая «яма», потому что очень долго этот диапазон оставался малоизученным из-за отсутствия эффективных источников и детекторов. Во-вторых, уникальность ЛСЭ в том, что это очень мощный перестраиваемый источник (рабочие длины волн 5–400 микрометров), а также он даёт квазинепрерывное излучение, то есть с одной стабильной длиной волны. В основном все терагерцовые источники очень слабые, но благодаря мощности ЛСЭ (в среднем 400 Вт) и имеющимся у нас детекторам, мы можем в реальном времени фиксировать пучки, как будто снимаем их на камеру телефона. А коллеги, которые работают, например, с источниками, основанными на преобразовании импульсов фемтосекундных ИК лазеров или с какими-то другими, не могут себе этого позволить. Из-за низкой интенсивности излучения работа требует поточечного двумерного сканирования для получения одного кадра. Мы можем всю конструкцию с камерой спокойно двигать влево и вправо в реальном времени. А со слабым источником очень долго и сложно работать, и в этом плане нам повезло.
— А существуют ли бесселевы пучки в природе?
— Думаю, что вихревые вообще не встречаются в естественной среде, скорее всего это всегда искусственно созданные пучки. Исследования идут примерно с 90-х годов, пионерской считается работа Аллена 1992-го года. В ней рассматриваются пучки, у которых есть сингулярность фазы в центре, то есть неопределённость. Распределение интенсивности представляет собой кольцо. Такие пучки в зарубежной литературе принято называть «doughnut-like beams», то есть пончико-подобные.
— Есть ли какие-то сложности в исследованиях, связанные с новизной этой области?
— Главная сложность — с источником, т.е. с терагерцами. Именно в области терагерцев мало что изучено. Вихревые пучки уже были сформированы и в видимом диапазоне, и в радио-, и в ультразвуковом, в каком-то смысле мы идём по стопам коллег из других диапазонов. Но именно наша сложность — это терагерцовый диапазон. Проблемы, как я уже говорила, были с наличием источников, с детекторами, а ещё с материалами. Потому что оборудование для видимого и радиодиапазона несложно изготовить. А для работы с терагерцами нужны новые материалы, технологии по их обработке и производству элементов.
Кремниевый элемент, установленный в лазерный пучок НЛСЭ. Фото Е. Койновой
— В чём цель изучения этого диапазона?
— Терагерцовый диапазон лежит между радио- и видимым. «Терагерцы» — сейчас очень модная тема. Самое перспективное применение — это шестое поколение беспроводной связи, т.е. 6G, частоты которого попадают в терагерцовый диапазон. Ожидается, что эта технология увеличит объём передаваемых данных за счёт повышения частоты. Передача с помощью бесселевых пучков обладает своими преимуществами. «Упаковка» сигналов в такую форму сделает его стабильнее. Терагерцовое излучение, с одной стороны, это более высокочастотная область, а, с другой, у него меньшая длина волны по сравнению с радиоволнами. И это позволяет создавать направленные пучки. Например, от Wi-Fi-источника излучение распространяется во все стороны, а здесь, если говорить про «терагерцовый Wi-Fi» — это излучение может быть направлено именно в ваш телефон, в ваш умный чайник или ещё куда-то. Увеличивается уровень сигнала, потому что он не рассеивается во все стороны. А бесселевы пучки могут и после препятствий восстанавливают свою форму, что повышает стабильность связи. За счёт вихрей мы увеличиваем плотность каналов данных, т.е. в одном пучке мы можем передать несколько сигналов на одной частоте. Это своего рода маркер. Мы, например, в пучок с закрученностью 1 закодировали картинку с котиком, в пучок с закрученностью 2 — с щеночком, и т.д. Потом мы их легко раскодируем, потому что знаем, какие пучки как закодированы. Становится возможным передать множество сигналов в одном пучке, которые не взаимодействуют друг с другом, и таким образом повысить информационную ёмкость связи. В этом ключе моя работа связана с исследованием возможности такого кодирования и декодирования, то есть экспериментальным исследованием дифракционных методов формирования бесселевых пучков и их распознавания при нетривиальных условиях.
— Вы недавно получили награду на конференции HoloExpo, можете рассказать подробнее про свои успехи?
— В прошлом году на этой конференции мне вручили награду за лучший доклад. Кстати, весной того же года я получила ещё и награду за лучшую выпускную квалификационную работу, по той же теме. HoloExpo — конференция изначально голографическая, но организаторы расширяют тематику, поэтому мне удалось представить свою работу в её рамках. На конференции этого года мои работы отметили другой наградой — медалью имени Владилена Степановича Летохова. Оптическое общество им. Д.С. Рождественского вручает эту награду молодым учёным за исследования в области голографии, в лазерных и оптических технологиях и т.д. Эта медаль вручается молодым специалистам за достижения в этих областях. В грамоте написано «за плодотворную деятельность в области голографических технологий», но я не голографист в классическом понимании. Летохов был пионером в области лазерной физики и спектроскопии, а я и близко не спектроскопист, но мою область тоже отметили. Вот у меня здесь есть голограмма…
На столе стоит небольшая деревянная рамочка с ярким объёмным рисунком. Наталья светит на него фонариком, и изображение вырастает будто из-под стекла.
— Помните, раньше были картинки, календарики с двумя меняющимися изображениями? Их называли голограммами. Но на самом деле это стереограмма, а голография, технология с помощью которой записываются такие изображения (как в рамке — прим. ред.) — это способ записи изображения за счёт интерференции лучей. Если коротко, облучаем предмет, который хотим записать, от него ловим отражённый сигнал и в стеклянной подложке записываем объёмное изображение. Получается так, будто мы на него смотрим через стекло, это не фотография, а именно объёмное изображение. Это и есть голография и голограмма. Моя руководительница Юлия Юрьевна Чопорова тоже занималась голографией несколько лет назад, но с помощью терагерцовых волн, здесь на ЛСЭ. Голография исследовалась как восстановление изображения. Например, в конверт клали предмет (небольшая маска, вырезанная из тонкого металла) и облучали терагерцами, которыми можно просветить конверт. Потом восстанавливали изображение предмета, и это тоже голография, именно терагерцовая.
— Голограммы больше ассоциируются у людей с научной фантастикой, с 3D-изображениями, как в «Звёздных войнах». Например, по ним можно передавать и записанное видео. Возможно ли это?
— Да, возможно. Как раз на этой конференции (HoloEXPO) я узнала, что существует голографическое телевидение, и технология уже реализована. Такой телевизор, конечно, не купишь, но, тем не менее, технология эта уже реальна. Советую, если вы будете в Питере, посетить Музей оптики ИТМО, в нём как раз очень много голограмм. Основоположник голографии в России — Юрий Денисюк, там представлено много его голографических портретов, а также схема записи голограмм, предложенная самим Денисюком. В музее голограммы очень реалистичные. Очень красивые и цветные, что сложно в изготовлении. А ещё там есть голограмма, которая выглядит так же, как сообщение Леи из фильма «Звёздные войны» с просьбой о помощи, отправленное Оби-Вану. Если перекрыть источник света, то вы увидите, как изображение пропадёт. Тоже очень красиво. Я сначала не могла понять, зачем нужно голографическое телевидение, мы вроде и так смотрим кино, и есть объёмное, типа 3D и 4D, и т.д. Но в случае голографического кино мы будем видеть людей, будто они рядом с нами. Это 3D, но без очков, объекты стоят, ты можешь с одной стороны посмотреть, с другой, т.е. голография — это способ записи предмета со всех сторон.
Голограмма из фильма «Звёздные войны. Эпизод 4: Новая надежда».
В прошлом году на этой голографической конференции я докладывала работу о применении бесселевых пучков для формирования плазмон-поляритонов с помощью излучения НЛСЭ. Это также относится к области передачи информации, но проводной. В рамках гранта мы исследовали возможность генерации закрученных плазмонов на металлическом цилиндре (подобие провода в микросхеме). Поверхностные плазмоны — это волна, которая распространяется по поверхности границы металла-диэлектрика. Представьте пластинку, на неё напыляется металл, волна вблизи поверхности распространяется, и с помощью плазмон-поляритонов передаётся информация. Плазмоны в терагерцовом диапазоне имеют свои уникальные свойства, они способны «прыгать» с элемента на элемент. Их применяют в интегральной оптике, то есть используют для создания чипов. За счёт бесселевых пучков они переносят больше информации и быстрее распространяются в терагерцовом диапазоне. Но моему сердцу все же ближе работа с технологиями беспроводной передачи данных.
— Какое будущее у этой области науки?
— По разговорам коллег и интересу «сверху», я имею в виду, например, гранты, «терагерцы» набирают обороты. Люди начали понимать, что эта тема интересная и полезная, и нужно развивать эту область. Если говорить про передачу информации, то мы потребляем её всё больше и больше, а значит приходится передавать больший объём данных. Для этого нам необходимо переходить в другую область спектра. Иначе просто никак. Существующие способы подходят к своему пределу.
Благодаря этой пластинке на «свет» появляется закрученный бесселев пучок. Фото Е. Койновой
— А какие научные планы лично у вас? Коллаборации, исследования? Хочется ли сменить область?
— У меня с бакалавриата одна тема, которая просто расширяется и расширяется. Когда я заканчивала магистратуру, мне говорили, что в какой-то момент надо остановиться. Что все эти бесселевы пучки… уже достаточно. Но я пока не хочу останавливаться. После магистратуры уже прошло почти пять лет, а я и не думаю, что надо заканчивать с этой темой. Я хочу, чтобы у меня был макет для передачи информации. Для его создания требуется разработка модулятора. С ним есть проблемы именно в терагерцовом диапазоне, потому что у нас пока нет тех инструментов, которые доступны другим. Это тоже задача, и её надо решать. Мне по прежнему интересны именно бесселевы пучки, дифракционная оптика, манипулирование терагерцовым излучением. Конкретных планов на будущее нет, но есть варианты коллабораций, в том числе с коллегами из Новосибирска, из Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ СО РАН) мы достаточно плотно взаимодействуем в области терагерцовой спектроскопии интересующих нас материалов и образцов. Есть планы по переходу на более высокие мощности. ЛСЭ — это мощный источник, но существуют ещё мощнее — это гиротроны. И коллеги из Нижегородского Института прикладной физики РАН, которые ими занимаются, заинтересованы в применении этого мощного излучения для решения актуальных задач. Они предлагали сотрудничество для формирования бесселевых пучков на их источнике, возможно, в эту сторону мы и будем шагать. За счёт высокой мощности источника излучение можно будет использовать для передачи Земля-космос. «Терагерцы» вообще идеально подходят для космоса. Они поглощаются молекулами воды, которыми наполнена атмосфера, а значит, чтобы преодолеть такое препятствие, нужен мощный источник, либо передача будет ограничена небольшими расстояниями (это сейчас и предполагается). Другой вариант — космос, в котором вакуум, где нет воды, что является в данном случае идеальной средой.
Когда Максвелл был ребёнком и захотел заниматься физикой, его привели к учителю, тот ему сказал что-то вроде: «Физика уже вся изучена, мальчик, не иди». Мне кажется, что с бесселевыми пучками похожая история. Ещё много вариантов, как их можно применить и что улучшить в науке и технике с их помощью.
— А как вы заинтересовались физикой?
— Я из Новосибирска, здесь родилась и выросла, училась в лицее №113, в физико-математическом классе. Интерес к физике появился примерно классе в девятом. Мы участвовали в конкурсе по атомной энергетике, изучали литературу, как что работает. И нас водили в ИЯФ на экскурсию. Мне в ИЯФе очень понравилось, и я тогда подумала: «Так, всё. Мне сюда надо!». Я училась в НГТУ, на физико-техническом факультете на кафедре электрофизических установок и ускорителей. Практику мы проходили уже с третьего курса университета, выбирали лабораторию и начинали работать в ИЯФе почти каждый день. Изначально я хотела пойти на БНЗТ, заниматься созданием инструмента для терапии рака, но в итоге всё вышло иначе. Я узнала про ЛСЭ, пришли туда с однокурсниками, нам всё рассказали и показали. Одной из тем исследования, о которой нам рассказывали, была диагностика раковых клеток, при которой по маленькой капле крови сразу определяется результат. И я подумала: «О, прикольно!». Моя руководительница занималась этой тематикой. Я осталась в этой лаборатории, но в итоге начала заниматься пучками — свыше задание дали. Свыше — значит, руководитель *смеётся*. В итоге, очень зацепила именно эта тема. И вот спустя четыре года занятия одной темой у меня началось: «Ой, это мои детишки, мои пучочки, где мои пучочки».
Не только высокотехнологично, но и красиво. Фото Е. Койновой
— Не надоедает изучать одну область спустя столько времени?
— Нет, наоборот. Я начала чувствовать себя специалистом. Когда над тобой руководитель, он говорит тебе, что делать — куда тебя ведут, туда ты и идёшь. Но в какой-то момент я поняла, что я уже и сама многое могу, и эксперимент поставить, и проанализировать полученный результат. Я уже вижу, когда получается хорошо, а когда есть ошибки, потому что ожидался другой результат.
Сначала я хотела, чтобы поскорее закончились пары и отчёты по практике, и можно было просто работать. Я ждала окончания аспирантуры, сейчас я жду окончания написания диссертации, чтобы вдоволь поработать руками. Но, оглядываясь назад, я понимаю, что студенческое время было весёлым, несмотря на пары, экзамены, ведь не было особой ответственности. Ты учишься, работаешь, плывёшь по течению, у тебя есть силы… Сейчас их нет, если честно. Раньше хватало времени и с друзьями провести время, и поработать, и поучиться, а сейчас наваливается много всего, в том числе и на работе. Но от этого не менее интересно.
— А работа в ИЯФе оставляет свободное время?
— Я смотрю на других людей и понимаю, что, наверное, проблема во мне. Я могу прийти домой и просто лечь ровно. В лучшем случае приготовить ужин и завалиться смотреть видосики, иногда поиграть в выходные. И я всё-таки женщина, мне надо прибраться, постирать, погладить и т.д. Другие люди успевают на тренировки, например, ходить в свободное время. Я бы тоже с удовольствием ходила, но когда? Я прихожу домой часов в восемь, уже и готовить ничего неохота, бутербродик сделала и нормально. Думаю: «Когда вы что-то успеваете?».
— А если говорить про work-life balance, вот вы выходите из института, мысли переключаются на жизнь, на отдых, на какую-то другую деятельность? Или всё время про исследования, про пучки.
— Да, переключаются. В этом заключается небольшая проблема. Когда я остаюсь работать дома, мне сложно переключиться на работу сразу, потому что надо обязательно сперва сделать что-то по дому. Пока я не запустила стирку или не загрузила посудомойку, я не могу спокойно сесть работать. А бывает наоборот, нужно заняться домашними делами, например, перед командировкой, а я не хочу идти домой, потому что хочу просто поработать.
— Что насчёт хобби?
— Честно, у меня нет постоянного занятия. Раньше я много читала художку, вышивала, чтобы руки занять и отвлечься, и по номерам раскрашивала. Недавно купила такую «раскраску», дня два пораскрашивала, и она так и лежит. В основном, занимаюсь чем-то, что можно делать без отрыва от «производства» — видосики смотрю и параллельно руками что-то пытаюсь делать.
— Вы бы дали какой-нибудь совет прошлой себе, чтобы легче со всем справляться, или и так всё устраивает?
— Я ни о чём не жалею. Я, конечно, не очень хорошо училась, точнее, не очень много времени уделяла учёбе. У меня, наверное, как и у многих, есть некоторые пробелы в знаниях. Сейчас я в оптике. Курс общей физики, конечно, включал оптику, но это один семестр в лучшем случае. Наверное, надо было больше уделять внимания общей эрудиции, ведь никогда не знаешь, чем ты будешь заниматься. Так как я училась на кафедре электрофизических установок и ускорителей (НГТУ), нас не к этому готовили, но я думаю, что и так всё хорошо, а недочёты, если они есть, можно исправить.
На рабочем месте с медалью им. В.С. Летохова общества им. Д.С. Рождественского. Фото Е. Койновой
— Какие качества важны для физика?
— Для физика-оптика очень важен перфекционизм. Здесь это вообще очень нужное качество. Оптическая установка подразумевает, что нужно всё идеально свести. Если что-то не точно, или ты где-нибудь ошибся и не заметил, в эксперименте верный результат не получится. Перфекционизм в этой области вообще очень нужен, но людей с этим качеством мало. Мне кажется, самое важное — интерес. Если есть интерес — всё остальное приложится, и усидчивость, и терпение. Будет интерес, будет и желание восполнить пробелы в знаниях, и посидеть подольше — разобраться с непонятным вопросом. Мне, например, не очень нравится писать статьи. Тяжело и непривычно. Но, думаю, со временем и это приложится.
— С кем разговаривала, все говорят, что писать статьи им не нравится…
— Я сейчас написала свою первую полноразмерную статью, а не просто тезисы, и поняла, как это сложно. Я её вымучивала очень долго, и мне кажется, что она могла быть лучше. Есть куда расти. Она такая: «Я мерил — я померил». Но это тоже нормально, я общалась со старшими коллегами, они говорят, что первые статьи всегда получаются не очень хорошо. Потом ты начитываешь другие статьи и сравниваешь, добавляешь анализ в работу. Вы можете описать свой результат, сказать, я взял такой элемент, собрал установку и получил вот это. И читатель скажет: «И что?». А «хорошо ли это, плохо»? «А что вы ожидали»? «А работа как-то описывается по формуле»? «Анализ какой-то есть»? «А теория есть»? «А может вы неправильно результат получили»? И вот если добавить ответы на все эти вопросы, то хорошая статья получится. А моя первая статья… Тоже нормально, но это не Q1 (самые престижные научные журналы — прим.ред.). Но это не страшно, я думаю, что всё придёт.
Материал подготовила Лиза Койнова
Пресс-служба ИЯФ СО РАН