Подумайте, как часто в повседневной жизни вы сталкиваетесь с лазерами? Конечно, многие вспомнят и лазерные принтеры, и указки, и шоу, и, в конце концов, гаджеты из научной фантастики. В ИТМО есть целое подразделение, которое занимается лазерными технологиями для вполне понятных и повседневных целей: от обработки металлов до лечения грибка ногтей. 

В этой статье расскажем подробнее о проектах, над которыми работает Институт лазерных технологий (ИЛТ), а заодно о том, как выглядит типичный путь студента, заинтересовавшегося лазерами или их практическим применением.

Еще лет 20 назад было принято жестко делить образовательный процессы по направлениям и кафедрам. Каждый занимался собственными исследованиями, изредка привлекая к частным задачам коллег из смежных сфер. Но сегодня на передний план вышли междисциплинарные проекты, находящиеся на стыке направлений или даже целых областей знаний. Так биология может комбинироваться с физикой, оптика с химией, робототехника с пищевой промышленностью, а медицина с химией.

Вот и в ИТМО активно поддерживают сотрудничество между разными факультетами и лабораториями, что, зачастую, рождает прорывные идеи. Именно здесь, на стыке инженерных наук, оптики, IT, искусства и медицины появился Институт лазерных технологий. Давайте разбираться, что же это за подразделение и как оно работает.

В состав Института лазерных технологий ИТМО входят три лаборатории: международная научная лаборатория лазерных микро- и нанотехнологий, лаборатория промышленных лазерных технологий и лаборатория биомедицинских лазерных технологий. Такое разделение весьма условно: подразделения неразрывно связаны между собой и дополняют друг друга как в научных проектах, так и в образовательном процессе. Институт объединяет специалистов совершенно разного уровня и компетенций: от студентов-лаборантов, которые только начинают свой путь в науке, до докторов наук, профессоров и лауреатов государственных премий.

Так что же за проекты реализуются в институте?

Как сделать титан еще тверже, защитить поверхность от обледенения и рисовать лазером без красок — проекты лаборатории микро- и нанотехнологий

Одно из обширных направлений исследований лаборатории — это функционализация поверхностей различных материалов с помощью лазера. Если говорить простым языком: лазерный луч формирует на поверхности такую структуру, которая может по-особенному взаимодействовать с попадающими на нее веществами или даже светом, за счет чего изменяются не только свойства материала, но и появляются новые возможности его использования.

Один из проектов, который реализуется прямо сейчас, изменение лиофильности (смачиваемости поверхности различными жидкостями). Например, при обработке некоторых металлов лазером можно получить гидрофобные и гидрофильные поверхности, которые будут "отталкивать" или наоборот "притягивать" к себе капельки воды. Такая модификация может защищать детали от обледенения или коррозии, или наоборот, позволит более эффективно смочить поверхность для лучшего испарения жидкости. Потенциально это применимо в различном оборудовании: от авиации и космоса до движущихся частей установок, поставляемых на Крайний Север.

Функционализация поверхности позволяет повысить износостойкость металлических сплавов, например, титана или стали. Для такой модификации на поверхность наносится слой графита, после чего вся система структурируется лазером. В результате на поверхности происходит целый ряд температурных и химических изменений, частицы графита равномерно перемешиваются с металлом, создавая цельный слой, который повышает твердость материала. 

Лазером можно изменять цвет поверхности и даже рисовать многоцветные изображения. Как правило, для этого используются два основных метода.

Во-первых, лазерное воздействие может приводить к локальному окислению металла, при этом на его поверхности образуется очень тонкая (в 100 раз тоньше человеческого волоса) плёнка. При определенных условиях в такой плёнке происходит интерференция света, и визуально поверхность приобретает разные оттенки. Чередуя параметры лазера на таких металлах как сталь, титан, латунь или хром, можно получить совершенно разные цвета — от бледно-желтого до яркого красного, зелёного или голубого.

Второй способ заключается в формировании на поверхности материала периодических решеток с разной высотой и направлением. Такие структуры будут переливаться разными цветами радуги, как поверхность DVD-диска или голографическая наклейка, а лазер позволяет нанести таким образом различные узоры и даже сымитировать эффект движения некоторых частей изображения.

Обе технологии широко востребованы в промышленности, так как позволяют не только достичь определенного декоративного эффекта, например, для создания сувениров или несмываемых этикеток, но и защитить продукт от фальсификации. 

Параллельно с промышленными приложениями развивается проект на стыке науки и искусства. Ученые уже создали прототип лазерной кисти — ручного инструмента, с помощью которого можно наносить несмываемые цветные изображения на поверхность металла. Итоговый цвет зависит от скорости движения "кисти" и угла ее наклона (от этого зависит толщина формируемой лазером оксидной пленки, которая и дает окраску). Фактически художник может рисовать картину светом, а цвет при этом будет получаться в прямом смысле из воздуха. Многие учёные всерьёз заинтересовались разработкой и готовы попробовать себя в новом жанре современного искусства, как только устройство будет полностью готово и испытано.

Путь к гибкой электронике и микросенсорам

Использование лазерных технологий в микроэлектронике — это одно из исторических направлений деятельности Института лазерных технологий. За достижения в этой области сотрудники тогда ещё кафедры лазерных технологий ЛИТМО получали государственные награды, вот и сейчас это направление активно поддерживается и развивается. В частности сотрудники ИЛТ в кооперации со специалистами из СПбГУ показали, что лазерные методы являются достаточно эффективными и позволяют создавать на подложках из стекла или полимеров металлические дорожки с высокой проводимостью. Такие "электроды" могут иметь совершенно различную геометрию, а толщина токопроводящих дорожек может быть уменьшена до размера сфокусированного лазерного пятна. Стоит отметить, что похожим образом с использованием твердых металлических подложек можно наносить проводящие структуры или даже целые цветные изображения. Такие методы можно будет использовать при производстве или ремонте микросхем, а также для создания катализаторов.

Благодаря точности лазеров схем облучения есть возможность записывать особые структуры на поверхности или в объёме стеклообразных материалов для создания так называемых лабораторий на чипе. Это такие современные устройства, которые позволяют проводить анализ различных сред (например, газов или жидкостей) на наличие сразу нескольких типов загрязнений или заболеваний. Сотрудники и студенты ИЛТ показали, что структуры, сформированные с помощью лазерного излучения, могут многократно усиливать сигналы сенсора и наблюдаемые эффекты, что позволяет снизить количество требуемого вещества-аналита. Потенциально при помощи разрабатываемых устройств будет можно обнаруживать утечку опасных для человека газов или диагностировать различные заболевания на самых ранних стадиях, используя всего каплю биологической жидкости.

Как лечить микоз и совершенствовать медицинские аппараты, применяемые в косметологии, дерматологии и стоматологии — проекты лаборатории лазерных биомедицинских технологий

Лаборатория биомедицинских технологий занимается вопросами взаимодействия лазерного излучения с различными биологическими тканями и разработкой устройств для медицины, например, систем для эндовазальной лазерной коагуляции, лазерных скальпелей и других приборов. Одно из основных направлений деятельности на текущий момент — это разработка эффективных и быстрых методов лечения микозов (грибковых заболеваний) кожи и ногтей.

На данный момент в дерматологии применяется системная или местная терапия — таблетки или препараты, которые наносятся непосредственно на поврежденный участок кожи или ногтя. Такие традиционные методы терапии имеют много побочных эффектов, а само лечение в этом случае может занимать долгие месяцы и даже годы. Сотрудники лаборатории биомедицинских лазерных технологий предложили более современный и эффективный метод решения проблемы — активную лазерную доставку лекарств непосредственно вглубь пораженного грибком ногтя. Для этого лазером производят микропорацию, т.е. создают систему микроскопических отверстий-пор, которые служат каналами для адресного введения медицинского препарата. Кроме этого, лазер помогает "активировать" действующее вещество в глубине ногтя.

Клинические исследования показали, что такой способ гораздо эффективнее и в некоторых случаях позволяет избавиться от проблемы всего за три-четыре сеанса. Кроме того, в отличие от других методов лечения, в рамках которых поврежденный ноготь просто удаляют, этот метод малоинвазивный. Конечно, он чувствительный, но по уровню ощущений не больнее маникюра с гель-лаком.

Кроме лечения микозов в лаборатории развивается еще ряд интересных проектов, например, лазерное соединение биотканей, в том числе волос (для наращивания) и слизистых (для применения в хирургии), а также лазерное лечение варикозной болезни вен и микрохирургия глаза.

Как проходит  учеба

Как и на других направлениях ИТМО, первые два года студент бакалавриата движется по общей программе, а уже на старших курсах выбирает индивидуальную траекторию обучения, формируя список дисциплин в соответствии с интересами: я — исследователь, я — инженер, я —предприниматель, я — художник. В итоге он получает специальность "Лазерные технологии". Для того чтобы поступить, надо сдать на хорошие баллы ЕГЭ по физике и математике. Но что гораздо важнее — нужно быть заинтересованным и мотивированным. В ИТМО есть много разных способов повысить шансы на поступление, начиная от участия в профильных олимпиадах и заканчивая конкурсом достижений — ITMO.STARS.

Во время обучения лекции читают ведущие профессора и приглашенные спикеры от промышленности. Важная часть этого процесса — проектная деятельность. Если студент на старте понимает, какое из направлений ему интересно, то он может присоединиться к любой научной группе уже на первом курсе. Преподаватели и научные сотрудники всегда поддерживают разные идеи развития проектов: от возможности работы над малоизученными в лабораториях темами до создания стартапов.

Также в Институте лазерных технологий проводят семинары для студентов со смежных направлений. Такой "обмен" позволяет подтолкнуть развитие междисциплинарных проектов и найти интересные ниши. А еще здесь работает "Школа лазерных технологий", в рамках которой лаборатории могут посещать школьники 8-11 классов. Для них проводятся лекции, семинары и мастер-классы. И все это абсолютно бесплатно.

А что после учебы?

Лазерные технологии — очень перспективное направление. Во-первых: это "сквозные технологии", которые применяются буквально везде: будь это изготовление телефона или автомобиля. Они позволяют широко использовать новые материалы, автоматизировать процессы обработки, повышая их производительность, обеспечивая энергосбережение и экологическую чистоту.  Во-вторых, это та сфера, где научные разработки идут рука об руку с индустрией, а срок внедрения некоторых проектов в реальную промышленность вполне укладывается в период написания бакалаврской или магистерской работы.

На данный момент Институт лазерных технологий сотрудничает со многими профильными предприятиями: ООО "Лазерный Центр", ООО "СП «ЛАЗЕРТЕХ", а также с лидерами промышленности, например, ПАО "Газпром", ООО "Титанмед", Global Insulator Group, ООО "Оптосен", АО "НПП "Сигнал". Список индустриальных партнеров подразделения постоянно растет благодаря участию в выставках и конференциях. А также внешнему фактору: запросу бизнеса на обеспечение новизны продукции и на высококвалифицированных опытных исследователей.

Партнеры зачастую приглашают студентов и выпускников к себе на стажировки с возможностью трудоустройства после окончания обучения. Помимо работы в отрасли всегда остается академическая карьера, которая в ИТМО сопоставима со стимулами работы на предприятии. Так, например, научный сотрудник может составлять собственный рабочий график, принимать участие в конкурсах и грантах, получать различные премии, ездить в другие страны и знакомиться с коллегами со всего мира.