Сейчас буквально на наших глазах в мире происходят удивительные изменения в использовании света. Можно сказать, что мы все участвуем в своеобразной революции света, когда его применение для традиционного освещения отходит на второй план и вместо этого свет становится важнейшим элементом технологии.

Во многом это связано с повсеместным внедрением лазеров, в первую очередь полупроводниковых, которые применяются для оптической записи и передачи информации (без которой немыслим интернет и мобильная связь), их используют для обработки материалов, в метрологии, в медицине и т.д.

Что делает полупроводниковые лазеры такими уникальными и как они могут изменить наше будущее? Об этом и многом другом в интервью «Научной России» рассказал профессор РАН, главный научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе Григорий Семенович Соколовский.

─ Что такое полупроводниковые лазеры и где они применяются?

─ Полупроводниковые лазеры сделали наш мир таким, каким мы его сегодня знаем. Интернет и мобильная связь стали возможными благодаря транзисторам и лазерам. Когда мы говорим по телефону, кажется, будто наш голос летит через воздух, но это не так. Наш голос летит сквозь воздух в виде электромагнитных волн лишь первые несколько сотен метров, а затем он попадает на сотовую станцию и оттуда уже оптическим волокном доставляется до другой сотовой станции, до DATA-центра и так далее. Так вот, ключевым элементом всего этого является полупроводниковый лазер. Без таких лазеров не было бы связи по оптическому волокну, не было бы столь быстрой связи между континентами, не было бы всего современного интернета и современного информационного общества, потому что по медным проводам такой объем информации доставить до потребителя было бы просто технически невозможно.

Изменение мира благодаря лазерам происходит буквально на наших глазах, и сейчас мы с вами участвуем в своеобразной революции света, когда свет применяется совсем не так, как привыкли наши предки, даже наши родители ─ ведь тогда свет использовался в основном для освещения, а сейчас это важнейший элемент технологии.

─ Приведите пример такого необычного применения света, о котором, как вы говорите, не знали наши предки?

─ Их так много, что об этом можно говорить часами. Например, преобразование солнечного света в электроэнергию ─ та самая зеленая энергетика, которой пророчат большое будущее. К этому можно относиться совершенно по-разному. Можно, скажем, считать энергетический выход, который у зеленой энергетики намного ниже, чем у традиционной (основанной на сжигании углеводородов), и это является принципиальной проблемой. Тем не менее бесспорно, что фотоэлектричество может дать серьезный вклад в энергетику, по крайней мере в локальную: когда практически каждое домохозяйство сможет себя полностью обеспечивать электроэнергией. Здесь я не говорю о крупных потребителях, таких, как большие заводы.

Лазерный гироскоп на фоне риса [P. Porsandeh Khial et al, Nature Photonics, 12 (11), 671, 2018].

Кроме того, есть, например, системы позиционирования. Мы все привыкли к GPS. Но в дополнение к ним необходимы системы локального позиционирования, которые построены на том, что ты когда-то узнаешь свою координату, а потом после потери сигнала GPS следишь за ее изменением при помощи гироскопов и акселерометров. И все это основано на применении света, в первую очередь лазерного. Вообще, гироскопы и акселерометры известны давно, еще до того как были изобретены лазеры. Но только применение лазеров позволяет сделать эти устройства очень-очень компактными.

─ Полупроводниковые лазеры бурно развиваются, вытесняя с рынка все остальные лазеры. С чем это связано?

─ Это связано с тем, что полупроводниковые лазеры ─ единственные из всех остальных типов лазеров, которые напрямую накачиваются электрическим током, в то время как для накачки любого другого лазера нужен какой-то свет. В полупроводниковых лазерах электроны и дырки напрямую преобразуются в лазерный свет, и благодаря этому полупроводниковый лазер эффективней, чем любой другой вид лазеров. На выпуск полупроводниковых лазеров приходится половина или чуть меньше половины от всего лазерного производства. Из года в год этот показатель колеблется, но можно говорить, что по стоимости примерно половина всех лазеров ─ это полупроводниковые лазеры. И, конечно же, из этой половины самая большая часть применятся для обеспечения телекоммуникации: интернет и вообще оптоволоконная связь.

Изображение: https://www.laserfocusworld.com/…ally-healthy

─ А где еще, кроме телекоммуникаций, применяются лазеры?

─ Этот вопрос, наверное, не допускает однозначного ответа. Но я бы на первое место поставил обработку материалов, потому что обработка материалов, включая 3D-печать, с применением лазеров вышла на какой-то совершенно, не побоюсь этих слов, фантастический уровень. Свет можно применять не только для того, чтобы что-то осветить, а, например, чтобы что-то отрезать или сварить. Лазерная резка, сварка, сверление позволяют достичь результатов, которые принципиально недостижимы при применении обычных механических методов обработки материалов. Причем из года в год этот процесс становится быстрее, дешевле, точнее.

Особенно интенсивно лазеры применяются в медицине. Перечислять все направления можно очень долго. Помимо уже привычного всем лазерного скальпеля, есть масса методов диагностики, которые позволяют врачу видеть то, что принципиально невидимо другими методами, причем видеть это непосредственно во время оперативного вмешательства, что позволяет сократить страдания пациента, продлить ему жизнь.

─ Какими мощностями лазеров располагает современная наука?

─ В случае с лазерами лучше говорить о диапазоне мощностей: от одиночных фотонов, которые применяются, например, в квантовой криптографии, до лазеров, которые дают тераваттные мощности (это система, которую можно поставить на стол); и петаваттные, а в проекции и экзаваттные лазеры ─ это, конечно, уже огромные машины, которые позволяют реализовать термоядерный синтез и достигнуть плотности мощности, которая создаст условия, сравнимые с условиями в нейтронных звездах.

Лазерный луч отличается от луча солнца, от луча лампочки тем, что фотоны в нем, с квантово-механической точки зрения, одинаковые: они все как бы неразличимы друг от друга. Поэтому лазерный луч очень легко сфокусировать, и за счет этой возможности фокусировки можно достичь очень больших плотностей мощности, и именно поэтому в лаборатории можно достигнуть условий, сравнимых с условиями в нейтронных звездах. Конечно, это должна быть большая лаборатория, но сегодня, тем не менее, это уже достижимо.

Научная школа А.Ф. Иоффе стала alma mater для ведущих российских физиков: Н.Н. Семенова, П.Л. Капицы, И.Е. Тамма, А.П. Александрова, Г.А. Гамова, Я.Б. Зельдовича, И.В. Курчатова, Ю.Б. Харитона и многих других. ФТИ оказал существенное влияние на развитие мировой науки, промышленности и обороноспособности страны.

─ Востребованы ли такие разработки у российского бизнеса?

─ Знаете, по поводу российского бизнеса справедливы все эти слова про «углеводородное проклятие», «голландскую болезнь», «нефтяную иглу», которые мы часто слышим. Дело в том, что очень долгое время экономисты совершенно справедливо считали, что когда у нас есть такое благословение, как большие запасы природных ископаемых, то можно их превращать в деньги, а деньги ─ в высокотехнологичные продукты. То есть ограничить экономику добычей полезных ископаемых и, может быть, первым переделом, а дальше все это можно отдавать туда, где промышленность более развита, а у себя промышленность не развивать. Это сыграло с нами очень злую шутку. Когда вдруг выяснилось, что глобальная экономика, оказывается, не навсегда, что ее можно просто по росчерку пера помножить на ноль, то неожиданно стало понятно, что нам нужна своя промышленность. Но промышленность не строится в одночасье. Науку еще можно как-то продержать на голодном пайке, а потом подкормить, и она быстренько начинает прорастать, но с промышленностью так не получается, ведь у нее более длинный цикл развития. Поэтому про симбиоз науки и бизнеса сейчас говорить очень сложно. Нас, безусловно, к этому всеми силами толкают. И ученые в этом направлении готовы двигаться ─ но бизнес не готов. Ему очень трудно перестроиться с просто ритейла на длинные инвестиции. Это кажется бизнесу невыгодным. Гораздо проще и выгоднее купить и потом продать ─ понятные риски, понятные расходы. А когда нужно вкладываться в то, что даст прибыль через десять лет или, не дай бог, еще позднее, то у бизнеса возникает вопрос: а зачем?

─ ФТИ им. А.Ф. Иоффе специализируется именно на полупроводниковых лазерах?

─ Спектр исследований в ФТИ им. А.Ф. Иоффе чрезвычайно широк и, пожалуй, покрывает все области современной физики. Но если говорить про лазеры, то да, Физтех ─ это чемпион именно по полупроводниковым лазерам. Именно здесь они были созданы впервые в мире! Можно сказать, что наш Институт ─ это дом, колыбель полупроводниковых лазеров.

Мы, конечно, делаем очень много разных видов полупроводниковых лазеров, которым находится применение и в передаче информации, и в ее обработке, и в каких-то промышленных применениях, и в других сферах. При помощи лазеров можно следить за погодой, можно измерять расстояние и делать множество других интересных вещей.

С 1987 по 2003 год директором ФТИ им. А.Ф. Иоффе был Нобелевский лауреат Ж.И. Алферов. Высшую награду в области физики ученый получил в 2000-м году «За разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной и опто-электронике». С начала 1960-х под руководством Ж.И. Алферова пройден путь от создания первых идеальных гетеропереходов и достижения непрерывного режима генерации полупроводниковых лазеров при комнатной температуре до разработки технологии и конструкции мощных лазеров, создания гетероструктурных солнечных преобразователей, а затем ─ создания полупроводниковых лазеров на основе квантовых точек. Источник справки: РАН.

─ Расскажите подробнее о своей работе в ФТИ им. А.Ф. Иоффе

─ Сейчас мы с коллегами занимаемся исследованием так называемых квантовых каскадных лазеров. Они принципиально отличаются от всех остальных полупроводниковых лазеров тем, что в них излучение рождается не за счет того, что электрон рекомбинирует с дыркой, т.е. переходит из зоны проводимости в валентную зону, а за счет того, что электроны переходят между уровнями размерного квантования в квантовых ямах. Квантовые ямы ─ это тонкие слои полупроводника с маленькой шириной запрещенной зоны внутри слоев полупроводника с большой шириной запрещенной зоны. Из-за того, что слои очень тонкие, согласно квантовой механике, электроны не могут занимать любое энергетическое положение внутри столь тонкого объекта и их энергия квантуется.

Сотрудники нашего института Роберт Сурис и Рудольф Казаринов в 1971-м году придумали сделать набор таких квантовых ям, благодаря которым лазерное излучение будет генерироваться за счет того, что электрон будет перепрыгивать с одного уровня на другой в этих множественных квантовых ямах. Для этого к структуре, состоящей из квантовых ям, нужно приложить большое напряжение. И, соответственно, электроны будут прыгать вниз, как по лесенке, рождая фотоны. В обычном лазере предел мечтаний любого лазерщика ─ это квантовый выход 100%, то есть каждый электрон рождает фотон. А здесь, так как этих квантовых ям много, можно получить квантовый выход хоть 200%, хоть 1200% и больше. Это стало выдающимся советским ноу-хау (кстати, Роберт Арнольдович и сейчас работает в нашем Институте, чему мы все очень рады). Однако в начале 70-х говорить о квантовых ямах ─ это было примерно то же самое, что во времена Циолковского говорить о полете на Луну. Поэтому первые лазеры такого типа были реализованы лишь в середине 90-х. Эта технология и сейчас является чрезвычайно сложной. Мы в Физтехе ею овладели и даже недавно поставили мировой рекорд по мощности на одной из длин волн, на длине волны 8 микрон. Но впереди у нас, конечно, огромное количество технических трудностей и новых свершений. Зачем нужны такие лазеры? Они особенно хороши для генерации излучения в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В этом диапазоне расположено очень много линий поглощения разных газов и веществ в конденсированном состоянии. Очень интересно наблюдать за этими линиями поглощения. Можно смотреть, что за вещество или даже комплекс веществ перед тобой. Можно, без преувеличения, нюхать на расстоянии, нюхать глазами!

Г.С. Соколовский внес значительный вклад в развитие отечественной нанофотоники и оптики полупроводниковых лазеров. Разработанные им конструкции лазеров позволяют значительно повысить выход годных при производстве и кардинально улучшить их спектральные и мощностные характеристики. Им впервые продемонстрирована генерация нерасходящихся (Бесселевых) лучей от полупроводниковых лазеров и светодиодов и показана возможность сверхфокусировки излучения мощных полупроводниковых лазеров; им впервые продемонстрировано усиление фемтосекундных оптических импульсов полупроводниковыми усилителями и предложен способ обострения сигнала в полупроводниковых лазерах, а также получены пикосекундные оптические импульсы при прямой токовой накачке. Источник справки: Информационный портал профессоров РАН.

─ А как лазерные технологии в целом могут изменить наш мир в обозримом будущем?

─ Перед нами открываются совершенно удивительные новые горизонты и новые возможности, особенно для бизнеса. Самое простое из того, что можно видеть на улицах уже сегодня ─ лазерные фары для автомобилей. Если вы любите красивые машины, то можете посмотреть на BMW i8 ─ у нее лазерное освещение, лазерные передние фары. Что это дает? Во-первых, это безумная яркость, которая, что называется, пробивает вдвое дальше, чем любой ксенон. Во-вторых, это возможность при необходимости гасить отдельные лепестки диаграммы направленности этих фар, чтобы не мешать встречным и попутным машинам. То есть вы очень хорошо видите дорогу, но при этом никому не мешаете, что повышает безопасность и комфорт движения. Сейчас то же самое делает и Audi, и другие производители. Кстати, лазерный чип, который применяется в таком освещении, по виду уже ничем практически не отличается от светодиода.

В будущем лазеры могут полностью изменить уличное и архитектурное освещение. Сейчас наши фонарные столбы относительно невысокие и относительно часто расположены, потому что они наследуют логику от обычных лампочек накаливания, которые сейчас заменяются светодиодами. Лампочки накаливания, в силу своих габаритов и особенности света, дают проекцию света на землю, круглую или овальную, например, но никак не линию. А с лазерным освещением вы можете сформировать форму освещения поверхности так, как захотите. Здесь практически нет ограничений, и вы можете ставить очень высокие столбы, освещающие лишь необходимую область. Примечательно, что лазер может быть расположен не наверху этого огромного столба, а внизу. А наверх же будет идти оптическое волокно, из конца которого выходит свет. Трудно представить, чтобы такой лазер мог сломаться, ведь срок его службы можно сделать хоть сто тысяч часов и больше, но если все-таки что-то пойдет не так, то вы просто отвинчиваете крышечку внизу столба, меняете лазеры, и ─ вуаля, свет снова есть!

Существует еще одна удивительная вещь, и она касается передачи информации, ─ это так называемый Li-Fi. Мы с вами привыкли к Wi-Fi, которым пользуемся ежедневно. Li-Fi ─ это ровно то же самое, только несущей частотой является не радиоизлучение, а свет, который можно модулировать так, чтобы он передавал информацию. Воочию мы эту модуляцию, конечно, не увидим. Если модулировать свет на частоте, скажем, гигагерц, то это уже будет совершенно недоступно человеческому глазу, зато обмениваться информацией будет очень удобно. Представьте себе, например, фонарный столб, который будет давать интернет от света. Или светофор, который способен сообщать нашему автомобилю о том, где какие пробки на дорогах и так далее.

Кабина беспилотного автомобиля. Источник фото: РИА Новости / Сергей Гунеев.

─ Такие технологии пока кажутся заоблачными…

─ А вам не кажутся, например, заоблачными машины, которые передвигаются без водителя? Поезжайте в Калифорнию ─ там такие авто ездят на законных основаниях. Единственной причиной, почему их нет у нас, являются только законы, потому что по нынешней законодательной базе, которая есть во всех странах, кто на кого наехал, тот и виноват. А если машина ехала без водителя, то кто виноват? Производитель. Поэтому понятно, что производители очень не хотят такого исхода событий, когда кто-то случайно прыгнул под колеса, а ты должен оплачивать все расходы и вообще рискуешь разориться. Тем не менее ни у кого нет сомнений, что машины, которые ездят без водителя, появятся и у нас в самом ближайшем будущем. Помимо развития законодательства, для их широкого распространения необходимо развитие машинного зрения и лидаров (лазерных радаров), чтобы автомобиль «знал», что происходит на дороге. Многие технологии, которые сегодня кажутся нам немыслимыми, завтра уже превращаются в реальность. Поэтому, что касается полупроводниковых лазеров, я уверен, что они все чаще будут находить свое применение в самых разнообразных и, может быть, даже неожиданных сферах нашей жизни.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

Беседовала Янина Хужина

Фото Андрей Луфт

Видео Алексей Корноухов