федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»
От пера птицы до флота нанозондов к Альфе Центавра

От пера птицы до флота нанозондов к Альфе Центавра

Самарский университет

Оптика и нейросети совершают перевороты в медицине, агрономии, космосе

разработки Сойфер Виктор Нанофотоника и дифракционная оптика (ЦКПО) Наука Исследования Полет (газета) Интервью
27.11.2020 2020-11-27
Самарский университет им. Королёва – один из мировых лидеров в области фотоники. Более 40 лет назад в вузе была создана и успешно работает школа компьютерной оптики и обработки изображений под руководством академика РАН, президента Самарского университета Виктора Сойфера. Учеными университета разработана инновационная дифракционная оптика, которая нашла свое применение в самых различных сферах — космосе, медицине, сельском хозяйстве. В интервью Times Higher Education президент Самарского университета Виктор Сойфер рассказал об исследованиях в области дифракционной оптики и нанофотоники, проводимых коллективом учёных Самарского университета в тесном сотрудничестве с Институтом систем обработки изображений РАН, интегрированным в научно-образовательный центр.


- Виктор Александрович, что послужило предпосылкой исследований в области дифракционной оптики и нанофотоники? Что такое вообще дифракционная оптика, дифракционные линзы, чем они отличаются от обычных оптических линз, используемых в очках, биноклях, телескопах и фотоаппаратах?

- Мне придётся дать несколько пояснений в области терминологии. Всем хорошо знаком классический оптический прибор линза. В Британском музее хранится линза из Ассирии, которой более 3000 лет. Хрусталик глаза человека является линзой. Оптическая линза – прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, например, сферическими. Для изготовления линз используют различные материалы. Чаще всего пластик или стекло. Сферическая линза преломляет в своём теле лучи света (т.е. осуществляет рефракцию) и собирает их на некотором расстоянии от себя, называемом фокусом, в яркое пятно. Часто классическую линзу называют рефракционной. В пьесе Аристофана "Облака" (424 г. до н.э) описано, как с помощью выпуклого стекла из солнечного света добывают огонь.

Толщина рефракционной линзы в зависимости от назначения может быть весьма значительной – от миллиметров до десятков сантиметров. При этом большая линза может весить несколько килограммов. Для целого ряда практических задач это неприемлемо. В частности, для малых космических аппаратов и беспилотников. Напомню, что вывод в космическое пространство 1 кг массы стоит порядка 20 тыс. евро. Ещё одним широко распространённым рефракционным устройством является призма, которая разлагает белый свет в спектр по длинам волн.

- Возникает фундаментальный вопрос: можно ли сделать линзу и призму плоскими и легкими?

- Оказывается, можно, если вспомнить, что помимо рефракции существует явление дифракции. Дифракция (разлом, перелом – лат.) это огибание светом различных препятствий, т.е. отклонение от законов прямолинейного распространения лучей, принятого в геометрической оптике. В явлении дифракции проявляется волновая природа света. Впервые явление дифракции описано в 1673 году монахом Джейсом Грегори. Он наблюдал разложение белого света в спектр на пере птицы – дифракционной решётке естественного происхождения. В 1821 году Фраунгофер изготовил из тонкой проволоки дифракционную решётку и использовал её для изучения спектров. В 1818 году Френель разработал теорию дифракции света и фактически предложил идею плоской линзы, получившей название зонной пластинки. Зонная пластинка представляет собой чередование большого числа чёрно-белых концентрических колец различной ширины и на определённой длине волны работает как линза. Для увеличения интенсивности пропускания света в 4 раза на месте чёрных колец делают гравировку на глубину в половину длины волны. Такая зонная пластинка называется фазовой.



- И какой минимальной толщины может быть эта зонная пластинка?

- Зонная пластинка является практически плоской, может иметь толщину порядка 1 микрона и, соответственно, малый вес. Подчеркну, что зонная пластинка ведёт себя как линза только на определённой длине волны. Для других длин волн нужна другая система колец (зон Френеля). Это не позволяло широко применять зонные пластинки в классических оптических приборах, работающих с белым светом.

- Излучение определенной длины волны, как известно, используется в лазерах...

- Да, создание в 1960 году лазера (Нобелевская премия 1964 года Ч. Таунс, Н.Г. Басов, А.М. Прохоров), генерирующего монохроматическое излучение заданной длины волны, сделало актуальным вопрос создания соответствующей лазерной оптики. На осмысление и практическое продвижение в этом вопросе понадобилось время. Моя научная группа, работающая в Самаре, стала сотрудничать с А.М. Прохоровым и его коллегами, прежде всего с профессором Сисакяном И.Н. на рубеже 1970/80 гг.

Занимаясь вопросами обработки сигналов в каналах передачи информации в своей кандидатской (1971 год) и докторской (1979 год) диссертациях, я рассматривал принимаемые сигналы не только как функции времени, но и пространственных координат, ориентируясь на их оптическую обработку. Это привело к необходимости рассчитывать и создавать пространственные фильтры для оптических процессоров. Однако в практическом плане всё оказалось в тот момент преждевременным. Оптические процессоры были громоздки и неустойчивы к вибрациям и колебаниям температур и не выдерживали конкуренции по точности с цифровыми устройствами, хотя обеспечивали гораздо более высокое быстродействие, прежде всего при выполнении спектральных преобразований (т.н. Фурье-процессоры).


- Однако вашей научной группе, несмотря на трудности, удалось добиться вполне определенных положительных результатов, не так ли?

- Несомненным достижением того периода времени был приобретённый опыт компьютерного проектирования различных пространственных фильтров и технологические приёмы их изготовления с помощью адаптированных технологий микроэлектроники для формирования дифракционного микрорельефа. Главным достижением следует считать предложенный и развитый нами математический подход к функциональным преобразованиям оптического сигнала, гораздо более широкий, чем использовавшийся в то время в классической оптике. Наш подход основан на решении так называемых обратных задач прикладной математики: "Какой должна быть фазовая характеристика пространственного фильтра, чтобы на выходе его получить требуемое распределение оптического сигнала?" Академик А.М. Прохоров по достоинству оценил этот подход и предложил развить ряд совершенно новых для оптики задач. Физики оплодотворили наши экзерсисы с пространственными фильтрами. Первой была задача о фокусировке лазерного излучения видимого диапазона в продольный отрезок (1980 год). Далее (1981/82гг.) была решена задача фокусировки мощного инфракрасного излучения в произвольное поперечное распределение интенсивности (кольцо, крест, квадрат и т.п.). Такая фокусировка требовалась для лазерных технологических установок обработки материалов (сварка, резка, упрочнение) и для медицинских приложений.

Если посмотреть на поперечное сечение интенсивности лазерного пучка, можно увидеть достаточно сложное пятнистое изображение с некоторыми признаками упорядоченности. Это отражает тот факт, что оно образуется суммированием некоторого числа, так называемых поперечных мод излучения. Математически эти моды описываются ортогональными полиномами. В 1983 году нам удалось решить фундаментальную задачу селекции поперечных мод лазерного излучения, открывающую принципиально новые возможности уплотнения оптических каналов передачи информации и обеспечение информационной безопасности на физическом уровне. В 1984 году мы предложили метод Бессель-оптики для формирования вихревых лазерных пучков. Это направление весьма актуально для оптической передачи информации в свободном пространстве, научного приборостроения и оптического манипулирования микрообъектами, в т.ч. в биологии.

- Можно сказать, что эти исследования и заложили базу новой научной школы?

- Упомянутые работы сформировали основу нового научного направления, которое академик Е.П. Велихов предложил назвать "компьютерная оптика". С 1987 года издается журнал с таким названием, который в настоящее время входит в 1-й квартиль Скопус. Результаты наших исследований в области дифракционной компьютерной оптики нашли отражение в монографиях "Laser beam mode selection by computer generated holograms" Boca Raton 1994, "Iterative methods for diffractive optical elements computation" Taylor & Francis London 1997, "Methods for computer design of diffractive optical elements" John Willey & Sons, Inc. 2002, "Vortex laser beams" CRC Press Taylor & Francis Group 2019 и ряде других.

Следующий этап наших исследований был обусловлен прогрессом в области нанотехнологий и появлением устройств записи микрорельефа с существенно субволновым разрешением (~ 50-100 нанометров). Это произошло в начале 2000-х годов. Мы начали создавать дифракционные наноструктуры с широкими функциональными возможностями и, поскольку создаваемые устройства трудно вписывались в классический предмет оптики, мы стали использовать более широкое понятие "фотоника" и "нанофотоника".


- Что входит в значение этих терминов?

- Фотоника рассматривает взаимодействие оптических сигналов с различными структурами, устройства на этой основе. Нанофотоника имеет дело с наноструктурами, характерные размеры которых существенно меньше длины волны. Предметом наших исследований стала дифракционная нанофотоника, изучающая дифракцию света на синтезированных наноструктурах и устройства на этой основе. Нами активно проводятся исследования по созданию резонансных структур дифракционной нанофотоники для оптической обработки информации и сенсорики. Появилась возможность реализации их в планарном исполнении "на чипе". В плане аналоговых оптических вычислений исследования включают дизайн резонансных структур нанофотоники для оптической реализации базовых математических операций дифференцирования и интегрирования оптических сигналов, а также более сложных дифференциальных и интегродифференциальных операторов, в том числе для обработки оптических сигналов в геометрии "на чипе".

- Где можно использовать на практике результаты этих исследований, в какой сфере, для решения каких задач?

- Возможность оптической реализации различных математических операций и преобразований открывает новые возможности для "сверхбыстрого" решения различных задач. Например, позволяет в реальном времени (со скоростью света) осуществлять выделение контуров наблюдаемых объектов. Такая возможность является перспективной в большом числе прикладных задач, например, в системах технического зрения роботов.

Результаты исследований по дифракционной нанофотонике опубликованы в большом количестве журнальных статей, обобщены в фундаментальной монографии "Дифракционная нанофотоника" Физматлит 2011, опубликованной в расширенном варианте дважды на английском языке "Diffractive Nanophotonics" CRC Press 2014, "Diffractive Optics and Nanophotonics" Boca Raton: CRC Press 2017г.

Наша научная группа ориентирована, в основном, на фундаментальные исследования. Ведущие ученые профессора Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, В.В. Котляр, В.С. Павельев, Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина и др. имеют высокие наукометрические показатели. Однако в последние 5-7 лет, создав целый ряд замечательных элементов дифракционной оптики и нанофотоники, мы заинтересовались их применением в приборах и системах.

Приведу два примера. Одним из результатов 40-летней работы школы дифракционной оптики и нанофотоники Самарского университета им. Королёва стала дифракционная линза, которая весит всего порядка десятков граммов и может заменить громоздкую систему линз и зеркал современных телеобъективов. Первая статья ученых Самарского университета, подтверждавшая возможность использования дифракционной оптики в изображающих системах, была опубликована в мае 2015 года по итогам крупнейшей мировой конференции по обработке изображений - IEEE Computer Vision and Pattern Recognition. В ноябре 2015 года вышла в свет совместная работа университета Торонто и университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, посвященная подобной разработке, со ссылкой на работу Самарского университета. Ранее никто в мире не использовал дифракционную оптику для получения цветных изображений высокого разрешения.

При изготовлении такой дифракционной линзы на поверхность кварцевого стекла наносится резист — фоточувствительное вещество толщиной 10 микрометров (для сравнения, толщина человеческого волоса 40-90 микрометров). На резисте с помощью сфокусированного лазерного пучка создается 256-уровневый микрорельеф. С его помощью происходит формирование изображения объекта, а компенсацию искажений обеспечивает компьютерная обработка получаемых изображений на основе нейронных сетей глубокого обучения.

Оптика на основе дифракционных линз уже нашла свое применение в самых различных сферах — космосе, медицине, сельском хозяйстве. В университете разработана сверхлегкая оптическая система для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), которая упростит и удешевит создание массовых группировок наноспутников для постоянного мониторинга земной поверхности. Миниатюрные устройства также найдут свое применение в качестве камер на беспилотных летательных аппаратах. Планируется, что самарской оптикой будет оснащен и флот нанозондов, который планируется отправить в путешествие к звездной системе Альфы Центавра в рамках проекта Мильнера-Хокинга. В числе целей этой экспедиции - поиск потенциально обитаемых экзопланет.

Исследования в области дифракционных оптических элементов позволили ученым Самарского университета им. Королёва создать компактный гиперспектрометр, на основе которого разработана система управления для первой в мире "умной" дождевальной машины. Благодаря этой системе мобильный агромелиоративный комплекс способен во время движения по полю самостоятельно анализировать состояние почвы, оценивая степень ее влажности и наличия необходимых минеральных удобрений. В зависимости от получаемых данных дождевальная машина сама регулирует интенсивность полива и внесения удобрений, что может повысить урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 25-30%.


- Самарский университета в рамках этих исследований в немалой степени сотрудничал и сотрудничает со своими партнерами - зарубежными университетами?

- Следует отметить, что технологические возможности устройств формирования дифракционного микрорельефа, которыми мы располагали в начале пути, существенно ограничивали возможности изготовления элементов дифракционной оптики. В период с 1985 по 2005 год положительную роль сыграли наши международные кооперации с проф. Я. Туруненом Университета Йоунсуу (Финландия), проф. Р. Коваржиком и д-р М. Дюпарре (Университет Фридриха Шиллера, Германия), д-р Пьеро Перло (Исследовательский центр ФИАТ, Италия), проф. Лиам О'Фаолейном (Технологический институт Корка, Ирландия).

Эти научные учреждения располагали самым современным технологичным оборудованием, позволившим в процессе пребывания моих коллег в командировках реализовать и экспериментально исследовать целый ряд уникальных дифракционных оптических элементов с ранее недостижимыми характеристиками и опубликовать результаты в журналах с высоким импакт-фактором в совместных с зарубежными коллегами статьях.

Разработка методов расчета и моделирования дифракционных оптических элементов также позволила реализовать совместные научные проекты с такими зарубежными университетами, как Университет Лейбница (Leibniz University Hannover, г. Ганновер, Германия), научно-исследовательскими институтами и центрами IPHT (Leibniz Institute of Photonic Technology, г. Йена, Германия), LZH (Laser Zentrum Hannover, г. Ганновер, Германия. Полученные научные результаты легли в основу учебных курсов, прочитанных студентам зарубежных университетов.

В настоящее время благодаря участию в различного рода конкурсах на выделение бюджетных средств, университет располагает достаточно современной лабораторно-экспериментальной базой, и мы можем не только проводить исследования, но и создавать опытные образцы устройств дифракционной оптики и нанофотоники на своей базе. При этом международная кооперация не сокращается, а напротив, расширяется. В тесной кооперации в области фотонной сенсорики с профессором Хаяши (Университет Кобе, Япония) работает д-р Д. Нестеренко. Профессор С. Хонина активно сотрудничает с проф. Коротковой (университет Майами, США) в области создания и исследования распространения вихревых пучков. Сотрудничество Самарского университета с университетами-партнерами дает наибольший эффект при выполнении сложнейших экспериментов дифракционной нанофотоники. Например, результаты статьи, опубликованной в июне 2020 года в журнале "Optics Letters" с участием д-ра А. Порфирьева и профессора С. Хониной, стали возможны благодаря широкой кооперации, как с отечественными, так и с зарубежными университетами (Swinburne University of Technology, Hawthorn, Australia; Tokyo Institute of Technology, Japan; Ruhr-Universität Bochum, Germany; University of Applied Sciences Münster, Germany).

Научное направление, связанное с разработкой структур нанофотоники для систем оптической обработки информации и оптических вычислений, входит в направления исследований ведущих мировых университетов (Массачусетский технологический институт, Cтэнфордский университет) и научных исследовательских центров (IBM Research). Это дает потенциальные возможности научного взаимодействия с ведущими университетами и научными центрами.

- Получают ли исследования в этой сфере поддержку со стороны властей и бизнеса?

- Я уже говорил о том, что работы в области дифракционной оптики и нанофотоники с первого шага ведутся в тесном сотрудничестве в рамках научно-образовательного центра с Институтом систем обработки изображений Российской академии наук. Министерство науки и высшего образования РФ финансирует этот исследовательский институт. Мы получаем гранты РФФИ и РНФ, Фонда содействия развитию инноваций. Правительство Самарской области поддерживает наши исследования. Программа повышения конкурентоспособности Самарского университета им. Королева предусматривает выделение средств на приобретение оборудования и материальные поощрения научных работников, имеющих высокие наукометрические показатели.

Разработка методов расчета и моделирования дифракционных оптических элементов привела также к выполнению ряда заказов компаний и организаций на разработку программного обеспечения по дифракционной оптике и нанофотонике. Это такие компании и организации как Исследовательский центр компании ФИАТ (CRF FIAT, Италия), Hitachi Via Mechanics (США), Oy Modines Ltd. (Финляндия), Институт оптики Берлинского университета (Германия) и др. Ведутся совместные научно-исследовательские работы в области дифракционной оптики терагерцового диапазона с российской компанией Tydex LLC (г. Санкт-Петербург). Проводились совместные исследования в области алмазной дифракционной оптики инфракрасного диапазона с Институтом общей физики РАН (г. Москва). Созданные элементы дифракционной оптики терагерцового диапазона исследовались на уникальной научной мегаустановке – лазере на свободных электронах (NOVOFEL) в Институте ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск).


- Каковы планы на будущее? Исследования будут продолжаться?

- Сейчас Самарский университет им. Королева разрабатывает стратегию развития до 2030 года. Значительное место в ней будет уделяться научно-образовательной деятельности по направлению, которое я освещаю в этом интервью. В настоящее время планируется участие университета в двух серьёзных конкурсах Министерства науки и высшего образования РФ. Оба конкурса анонсировал министр В.Н. Фальков. Это конкурс "Академическое превосходство" направленный на интеграцию университетов с институтами РАН, а также конкурс Научно-образовательных центров мирового уровня. В Самарской области по распоряжению губернатора Д.И. Азарова создан НОЦ "Инженерия будущего", в состав которого вошёл наш университет. Именно этот НОЦ и будет участвовать в федеральном конкурсе на получение статуса научно-образовательного центра мирового уровня. Мы будем продолжать фундаментальные исследования и создавать приборы, интегрируя дифракционную оптику и нанофотонику с искусственным интеллектом.

- Каких результатов вы планируете добиться?

- Планируем получить следующие основные результаты:
  • создать резонансные структуры нанофотоники для реализации датчиков оптических параметров в конфигурации "на чипе";
  • получить новые типы световых пучков с орбитальным угловым моментом, в том числе дробным, для систем связи в свободном пространстве с защитой передаваемой информации на физическом уровне;
  • разработать сквозные оптоинформационные технологии интеллектуальной обработки данных ДЗЗ для решения задач сельского хозяйства, мониторинга и повышения качества среды обитания.
  • изготовить экспериментальные образцы широкоапертурных изображающих объективов на основе дифракционных линз для использования в системах дистанционного зондирования Земли.
Стратегическим направлением станет разработка и создание сверхкомпактных оптических камер и гиперспектрометров. Такие приборы представляют большой интерес для задач многоуровневого ДЗЗ и создания интеллектуальных геоинформационных систем.

Перспективным направлением развития научных исследований является применение методов дифракционной оптики для управления длинноволновым когерентным излучением в мощных установках терагерцового и микроволнового диапазонов для решения задач megascience и высоких технологий.

Также продолжим работы по полностью оптическим аналоговым вычислениям. Мобильные устройства на этой основе весьма перспективны и имеют большие преимущества перед электронными в быстродействии и помехоустойчивости.

Продолжим работу по адаптации наших приборов для размещения на "кубсатах". У нас уже есть хороший задел в этом направлении. Компетенции ученых Самарского университета им. Королева в области дифракционной оптики и нанофотоники вызывают значительный интерес со стороны промышленных предприятий и правительственных структур в таких сферах, как мониторинг среды обитания, умное земледелие, зрение роботов и т.п.