СМИ о нас
| 05.02.25 | 05.02.2025 Научная Россия. Новый способ борьбы с лекарственно устойчивыми инфекциями предложили в ФИАН |
Передовая методика фотодинамической терапии с использованием витамина B2 в качестве фотосенсибилизатора помогает в лечении сложных ран, инфицированных патогенными микроорганизмами. В условиях роста числа антибиотикорезистентных инфекций данная разработка может найти широкое применение в медицине.
Процесс фотоактивации синим светом. Источник: ФИАН
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) активно сотрудничает с медицинскими научными и клиническими организациями. Одним из ключевых партнеров ФИАН в данной области является Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского. В Троицке находится одно из подразделений данной организации – Научно-клинический центр № 3 (бывшая Больница РАН). Научные сотрудники Троицкого обособленного подразделения ФИАН (ТОП ФИАН) совместно со специалистами РНЦХ им. акад. Б.В. Петровского разрабатывают новые приборы и методы для фотодинамической терапии, выполняют модификацию и апробацию в условиях клиники лазерных медицинских аппаратов, развивают новые методы неинвазивной оптической биомедицинской диагностики.
По словам руководителя ТОП ФИАН, чл.-корр. РАН А.В. Наумова, одним из важнейших результатов сотрудничества физиков и хирургов стала разработка нового метода фотодинамической терапии антибиотикорезистентных инфекций – полностью отечественной технологии, имеющей высокую социальную значимость.
«В условиях растущего числа устойчивых к антибиотикам микроорганизмов необходим поиск новых стратегий, направленных на инактивацию патогенов и предотвращение развития их резистентности к новым и существующим лекарственным препаратам. Слишком много людей принимают одни и те же антибиотики, в результате чего увеличивается заболеваемость лекарственно-устойчивыми инфекциями, включая актуальную проблему лечения инфицированных ран. Этот глобальный вызов требует поиска новых лекарственных препаратов или альтернативных терапевтических методов. Именно такой междисциплинарный подход и был реализован научной группой доктора физ.-мат. наук Евгения Хайдукова с коллегами», – подчеркнул Андрей Наумов.
Прибор для фотодинамической терапии. Источник: ФИАН
Совместный инициативный проект Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, РНЦХ им. акад. Б.В. Петровского, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Московского педагогического государственного университета и НИЦ «Курчатовский институт» направлен на разработку недорогой высокоэффективной технологии для профилактики и лечения контаминированных и инфицированных ран. В рамках проекта проходит апробацию технология антимикробной фотодинамической терапии с использованием витамина B2 в качестве фотосенсибилизатора. Клинические испытания метода доказали его эффективность и позволили существенно снизить летальность, а также сократить сроки лечения раневой инфекции у больных со стерномедиастинитом. Новый метод был успешно использован для лечения раненых в зоне СВО, дав возможность существенно купировать гнойно-некротические процессы, а также обеспечить сохранность конечностей с последующим выполнением реконструктивных операций. Успешная реализация проекта позволила не только создать эффективную терапевтическую технологию лечения ран, инфицированных патогенными микроорганизмами, но и заложила основы фотодинамической терапии следующего поколения, способной дать ответ на современные вызовы, связанные с ростом числа лекарственно устойчивых инфекций.
В Троицком обособленном подразделении Физического института Академии наук в течение последних нескольких лет активно ведутся научно-технические разработки в области медицинской физики и биофотоники. ТОП ФИАН имеет богатый опыт работ по спектральному приборостроению и медицинской лазерной технике. Широкое распространение в медицинских центрах России получили лазерные аппараты на парах меди «Яхрома-Мед», предназначенные для лечения пациентов с сосудистыми и пигментными дефектами кожи и слизистых оболочек методом селективной лазерной фотодеструкции. Среди актуальных научных направлений можно отметить разработку новых типов сенсоров для биологии и медицины, новые материалы и методы фотоники, SERS-спектроскопию, оптическую конфокальную и нелинейную микроскопию.
Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН
Источник фото: ФИАН
| 04.02.25 | 04.02.2025 Российская академия наук. Дан старт Международному году квантовой науки и технологии |
Делегация Российской академии наук приняла участие в торжественной церемонии открытия Международного года квантовой науки и технологии, прошедшей 4—5 февраля в штаб-квартире ЮНЕСКО в Париже (Франция).
Российскую академию наук на церемонии представили директор ФИЦ «Казанский научный центр РАН» член-корреспондент РАН Алексей Калачёв и руководитель Троицкого обособленного подразделения ФИАН им. П.Н. Лебедева РАН член-корреспондент РАН Андрей Наумов.
2025 год объявлен Организацией Объединённых Наций Международным годом квантовой науки и технологии в ознаменование 100-летия квантовой механики. С момента появления гипотез и теорий, утверждающих, что материя и энергия в микромире (на уровне отдельных атомов, электронов, фотонов) ведут себя удивительным образом, необъяснимым с помощью классических уравнений физики, к настоящему времени квантовая наука достигла впечатляющих успехов.
Многие современные технологии, устройства и инструменты основаны на квантовых принципах — в том числе лазеры (квантовые генераторы света), спутниковая навигация (ГЛОНАСС, GPS), телекоммуникационное оборудование, источники и детекторы света, устройства микроэлектроники, компьютеры и робототехника, энергетика, новые медицинские технологии.
Выдающиеся достижения в области квантовой науки и технологий отмечены многочисленными Нобелевскими премиями, среди которых яркое место занимают результаты российских и советских учёных — членов Академии наук. Впечатляющие перспективы обещают и современные разработки — квантовые вычислители, квантовые коммуникации и криптография, квантовая сенсорика.
Эти и целый ряд других научных вопросов обсудили в ЮНЕСКО представители нескольких десятков стран мира, в том числе Нобелевские лауреаты Анн Л’Юилье, Ален Аспе, иностранный член РАН Серж Арош, Уильям Филлипс, президент Международной комиссии по оптике профессор Эрик Розес, президент международного общества OPTICA иностранный член РАН Герхард Лёйхс и другие авторитетные учёные. Широко были представлены научные и общественные организации, национальные академии наук, профессиональные сообщества, научные издательства, инновационные компании. Торжественную церемонию открыла Лидия Брито — заместитель генерального директора ЮНЕСКО по естественным наукам.
Помимо фундаментальных результатов квантовой науки и инструментальных достижений квантовых технологий, особое внимание на проведённых в рамках церемонии открытия лекциях, панельных дискуссиях и круглых столах отводилось роли науки в устойчивом развитии международных отношений, образовании и воспитании. Также были затронуты вопросы смены технологического уклада в связи с появлением качественно новых технологий, новая философия. Так, в своём выступлении Алан Аспе отметил важность доведения результатов фундаментальных исследований до реального продукта, популяризации науки и научного метода. Учёный остановился на концепции «выхода» фундаментальной науки за пределы лабораторий благодаря различным инструментам популяризации научных знаний.
На встрече была отмечена важность проведения подобных мероприятий как для привлечения внимания к прорывным фундаментальным научным направлениям, так и в деле взаимовыгодного сотрудничества разных стран, решения сложных политических вопросов через установление международных научных контактов.
В течение 2025 года под эгидой ЮНЕСКО будут проводиться многочисленные мероприятия, посвящённые квантовым наукам и технологиям, в том числе при участии Российской академии наук. Важность развития квантовой науки и технологий в России неоднократно отмечалась на правительственном уровне и в профильном научном совете РАН.
https://new.ras.ru/activities/news/dan-start-mezhdunarodnomu-godu-kvantovoy-nauki-i-tekhnologii/
| 04.02.25 | 04.02.2025 Московский часовой. Культурные площадки Москвы подготовили программу ко Дню российской науки |
Программа начнется 6 февраля.
Музеи, библиотеки и культурные центры столицы проведут мероприятия ко Дню российской науки. Для гостей организуют различные мастер-классы, викторины и кинопоказы. Об этом рассказала заммэра Наталья Сергунина.
Программа начнется 6 февраля. 8 и 9 февраля в парке "Зарядье" пройдет фестиваль "Громкий голос российской науки", а на ВДНХ — серия познавательных занятий и экскурсий.
"Москвичи и туристы познакомятся с отечественными научными достижениями, послушают лекции ведущих ученых, посмотрят документальные фильмы, узнают больше о растениях и живых организмах. Приглашаем всех желающих", — отметила Сергунина.
Программа в "Зарядье"
На фестивале "Громкий голос российской науки" состоится интерактивное шоу. Гости познакомятся со свойствами азота. Они смешают газ с водой, сделают с его помощью мороженое, заморозят различные предметы и проверят их на хрупкость. Также можно будет принять участие в викторине, победители которой получат полезные призы Российского научного фонда.
В лектории выступят специалисты МГУ им. Ломоносова, ФИАН им. Лебедева и РХТУ им. Менделеева. Они поговорят о новых материалах, квантовых технологиях и мире животных. Слушатели узнают об использовании искусственного интеллекта, исследованиях Северного полюса и формировании экосистем.
Практические занятия посвятят биологическим исследованиям, изучению состава привычных продуктов и выбору безопасных бытовых средств. Всего пройдет 40 мастер-классов.
ВДНХ расскажет о науке
В музее "Атом" на ВДНХ организуют более 10 мероприятий, в числе которых экскурсии, встречи со специалистами и познавательные занятия. Так, 8 февраля для посетителей всех возрастов пройдут инженерные активности, включая настольную игру. Также можно будет узнать об устройстве и работе атомной электростанции.
В центре "Космонавтика и авиация" 8 февраля объяснят, из чего делают ракетное топливо. Также посетители узнают о защите космических аппаратов от солнечных лучей, системе охлаждения станций и о том, как химические вещества упрощают жизнь на орбите.
В центре современных биотехнологий "Музей "Биотех" покажут документальные фильмы и проведут мастер-класс "Искусство в чашке Петри".
Программа музеев и библиотек
6 и 7 февраля библиотека № 82 приглашает на занятия об эволюции энергии — от костра до солнечных батарей. Юные гости создадут проект источника энергии будущего и коллаж.
6 февраля в Центральной детской библиотеке № 14 пройдет викторина по математике, физике и программированию. Участники вспомнят великих ученых и ответят на вопросы по алгебре, геометрии и теории чисел.
6–27 февраля культурный центр "Меридиан" представит выставку "История магнитной стрелки" с более чем 100 русскими компасами XIX–XX веков из коллекции Михаила Иванова.
В Государственном Дарвиновском музее 8 февраля пройдут встречи с экспертами, можно будет поучаствовать в интерактивных играх, а также мастер-классах, которые познакомят с динозаврами и их родственниками.
День российской науки отмечают ежегодно 8 февраля. Праздник приурочен к дате основания Российской академии наук — 28 января (8 февраля по новому стилю) 1724 года.
Фото: Пресс-служба Депкульта
| 04.02.25 | 03.02.2025 ИА АК&М. Физики предложили новый способ производства изотопов для ядерной медицины |
Исследователи из Томского государственного университета (ТГУ) и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) смоделировали технологию получения медицинских изотопов на протонном ускорителе «Прометеус», действующем на базе ФТЦ ФИАН (Протвино), основное назначение которого — протонная терапия онкологических заболеваний.
Ученые предложили использовать ускоритель для производства изотопов молибдена-99, который в свою очередь служит для получения технеция-99m — основного диагностического радионуклида современной ядерной медицины. В основе предлагаемой технологии — генерация нейтронов при прохождении протонного пучка через металлическую мишень и последующее облучение нейтронами пластинки из природного молибдена.
«Мы провели компьютерное моделирование этого процесса и показали, что при заданных характеристиках ускорителя «Прометеус» эффективность производства изотопов может быть очень высокой, особенно в отношении изотопа молибдена, — рассказал один из участников исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ Владимир Иванченко. — Проведенное моделирование позволило определить ключевые параметры системы. Например, было установлено, что максимальная эффективность достигается при толщине мишени в 1 мм, это позволяет получить высокую производительность при минимальном расходе материала».
Технология может быть использована не только для получения молибдена-99, но и других важных изотопов, например, лютеция-177 и рения-188, которые активно используются в лечении онкологических заболеваний.
Главное преимущество новой технологии — в ее универсальности. Установка позволяет совмещать производство изотопов с основными функциями ускорителя, в частности, терапевтическим использованием. Это делает возможным получение необходимых изотопов непосредственно на площадках лечебно-диагностических центров ядерной медицины, снижая логистические издержки и делая высокотехнологичную медицину доступнее.
Исследование выполнено в рамках масштабного проекта, поддержанного мегагрантом правительства РФ.
Пресс-релиз подготовлен на основании материала, предоставленного организацией. Информационное агентство AK&M не несет ответственности за содержание пресс-релиза, правовые и иные последствия его опубликования.
| 04.02.25 | 03.02.2025 Минобрнауки России. Физики предложили новый способ производства изотопов для ядерной медицины |
Исследователи из Томского государственного университета (ТГУ) и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) смоделировали технологию получения медицинских изотопов на протонном ускорителе «Прометеус», действующем на базе ФТЦ ФИАН (Протвино), основное назначение которого — протонная терапия онкологических заболеваний.
Ученые предложили использовать ускоритель для производства изотопов молибдена-99, который в свою очередь служит для получения технеция-99m — основного диагностического радионуклида современной ядерной медицины. В основе предлагаемой технологии — генерация нейтронов при прохождении протонного пучка через металлическую мишень и последующее облучение нейтронами пластинки из природного молибдена.
«Мы провели компьютерное моделирование этого процесса и показали, что при заданных характеристиках ускорителя «Прометеус» эффективность производства изотопов может быть очень высокой, особенно в отношении изотопа молибдена, — рассказал один из участников исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ Владимир Иванченко. — Проведенное моделирование позволило определить ключевые параметры системы. Например, было установлено, что максимальная эффективность достигается при толщине мишени в 1 мм, это позволяет получить высокую производительность при минимальном расходе материала».
Технология может быть использована не только для получения молибдена-99, но и других важных изотопов, например, лютеция-177 и рения-188, которые активно используются в лечении онкологических заболеваний.
Главное преимущество новой технологии — в ее универсальности. Установка позволяет совмещать производство изотопов с основными функциями ускорителя, в частности, терапевтическим использованием. Это делает возможным получение необходимых изотопов непосредственно на площадках лечебно-диагностических центров ядерной медицины, снижая логистические издержки и делая высокотехнологичную медицину доступнее.
Исследование выполнено в рамках масштабного проекта, поддержанного мегагрантом правительства РФ.
| 31.03.25 | 31.03.2025 Научная Россия. Сотрудники ФИАН впервые получили почетные ведомственные награды Минобрнауки |
Глава Министерства науки и высшего образования Российской Федерации Валерий Фальков наградил сотрудников ФИАН нагрудным знаком «Ветеран».
Согласно Приказу № 237 к/н «О награждении нагрудным знаком "Ветеран" Министерства науки и высшего образования Российской Федерации работников Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук» за заслуги в труде и продолжительную работу награждаются:
- Азязов Валерий Николаевич, директор Самарского филиала;
- Борисенко Наталия Глебовна, ведущий научный сотрудник;
- Величанский Владимир Леонидович, ведущий научный сотрудник;
- Дмитриева Мария Николаевна, техник 1 категории;
- Лебедев Владимир Сергеевич, руководитель Отделения оптики.
Отметим, что сотрудники ФИАН получают данную ведомственную награду впервые.
Нагрудной знак «Ветеран» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации является ведомственным знаком отличия Минобрнауки. Он также дает право на присвоение звания «Ветеран труда».
Награждение нагрудным знаком производится за заслуги в труде и продолжительную работу в сфере высшего образования и соответствующего дополнительного профессионального образования, научной, научно-технической и инновационной деятельности, нанотехнологий, развития федеральных центров науки и высоких технологий, государственных научных центров и наукоградов, интеллектуальной собственности, в сфере социальной поддержки и социальной защиты обучающихся, молодежной политики.
Ведомственная награда Министерства науки и высшего образования Российской Федерации нагрудной знак «Ветеран» была учреждена в августе 2021 года.
Информация и фото предоставлены Отделом по связям с общественностью ФИАН
Источник фото: ФИАН
| 31.03.25 | 31.03.2025 Телеграм-канал За науку. Ученые раскрыли сложные эффекты дифракции лазерного излучения в неоднородных плазменных микроструктурах |
Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения.
Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30086).
| 31.03.25 | 30.03.2025 За науку. Ученые раскрыли сложные эффекты дифракции лазерного излучения в неоднородных плазменных микроструктурах |
Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения. Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30086).
Плазма, созданная в виде ионизированного газа, обладает уникальными оптическими свойствами, которые делают её интересным объектом для исследования. Плазма активно используется в различных областях науки, техники и промышленности. Знания о её свойствах нужны для контроля процесса плазменного катализа, плазменной резки, сварки и напыления, синтеза наночастиц, при стерилизации имплантатов и хирургических инструментов, в системах поджига топливных смесей, а также в различных импульсных электроразрядных устройствах, используемых в современной энергетике.
Плазму с высокой концентрацией электронов можно изучать с помощью методов лазерного зондирования — интерферометрии, теневой и шлирен-фотосъёмки, когда вследствие взаимодействия лазерного пучка с плазменной структурой изменяются его интенсивность, фаза и поляризация. Анализируя изменения в характеристиках лазерного излучения, можно восстановить пространственное распределение диэлектрической проницаемости плазмы в рамках решения прямых и обратных дифракционных задач, а также оценить и другие её важные параметры. Однако реализация даже таких традиционных методов диагностики плазмы сталкивается с рядом сложностей.
Ключевая проблема — это дифракция лазерного излучения, которая усложняет интерпретацию результатов оптических измерений и играет важную роль в самом процессе визуализации неоднородной плазменной структуры. Обычно дифракционным эффектам при обработке результатов лазерного зондирования не придается большого значения, в частности, ввиду сложности их анализа в эксперименте. При этом в области непосредственно за плазменным объектом (ближней волновой зоне) закономерности проявления дифракционных эффектов до недавнего времени оставались недостаточно изученными. В то же время именно в ближней волновой зоне формируются ключевые особенности изображений плазменных микроструктур, и их детальное понимание необходимо для последующего точного восстановления параметров плазмы.
Чтобы изучить дифракционные эффекты, ученые провели всестороннее численное моделирование прямой задачи дифракции на основе решения скалярного волнового уравнения Гельмгольца, описывающего распространение лазерного излучения сквозь неоднородную плазменную среду.
Рисунок 1. Дифракция плоской волны на плазменном образовании. Источник: Physical Review E.
Для решения данного уравнения использовалось первое Рытовское приближение — метод асимптотического решения уравнения в парадигме функции комплексной фазы при доминирующем рассеянии волны вперед. В качестве плазменной среды были рассмотрены тонкие нити сильно ионизованной плазмы (диаметром порядка 20 мкм), выступающие в качестве модели одиночных микроканалов, из которых состоит электрическая искра в газе (примеры приведены в конце работы, опубликованной в Physical Review E). Помимо этого, ученые дополнили результаты моделирования дифракции лазерного излучения на неоднородных плазменных микроструктурах численным расчетом прохождения дифрагированного излучения сквозь оптическую линзовую систему, в оптических каналах которой реализованы методы визуализации на основе интерферометрии и теневой фотосъёмки.
В условиях реального эксперимента возникновение и эволюция плазмы в пространстве, как правило, имеет спорадичный характер. Из-за этого оптическая линзовая система вносит определенные искажения в характеристики поля регистрируемого лазерного излучения, поскольку возрастает влияние эффекта дефокусировки — несовпадение объектной плоскости регистрации оптической системы с выходной плоскостью объекта, в которой он вносит окончательные изменения в поле проходящего излучения.
Рисунок 2. Схематическое изображение оптической системы регистрации в виде эквивалентной линзы (a). Иллюстрация фокусировки эквивалентной линзы на острийный электрод с небольшим плазменным образованием с расстоянием дефокусировки ∆d0: оно меньше нуля, если объектная плоскость линзы находится позади выходной плоскости плазменного объекта (b), больше нуля в случае, когда объектная плоскость линзы находится перед выходной плоскостью плазменного объекта (c). Источник: Physical Review E.
С использованием разработанного математического аппарата, алгоритмов численного расчета и программного кода ученые детально описали ключевые закономерности визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения. Исследователям также удалось определить роль дифракционных эффектов в процессе формирования изображений плазмы и установить множество ранее неизвестных оптических артефактов, возникающих в процессе визуализации плазмы.
Исследователи обнаружили, что даже в наиболее простых случаях взаимодействия лазерного излучения с неоднородной плазмой дифракционные эффекты оказывают существенное влияние на визуализацию плазменных микроструктур. В ближней волновой зоне данные эффекты особенно выражены и приводят к заметным искажениям в регистрируемых яркостных и фазовых картинах плазменного объекта. В частности, проявляются многочисленные флуктуации интенсивности волны и её фазового сдвига.
Рисунок 3. Дифракционные карты интенсивности (a) и сдвига фазы (b) плоской волны (с длиной волны 532 нм), смоделированные позади плазменной нити диаметром 20 мкм на дистанции до L=1 см (относительно выходной плоскости плазменного объекта). Иллюстрация поведения интенсивности (c) и сдвига фазы (d) дифрагированной волны позади объекта в периферийном направлении, а также вдоль её распространения (e) в плоскости с координатой y=0. Яркостная картина дифракции излучения (в терминах изменений интенсивности лазерного излучения) в направлении распространения зондирующего пучка за объектом характеризуется значительным падением интенсивности волны (плазменные нити действуют как отрицательные цилиндрические линзы), тогда как на периферии картина представлена чередованием мелкомасштабных зон с увеличением или уменьшением интенсивности излучения, укладывающихся в дифракционный конус, угол при вершине которого совпадает с областью, содержащей плазменный объект. Фазовая картина дифракции излучения также характеризуется многочисленными флуктуациями, а её максимальное значение достигается в выходной плоскости объекта. По мере удаления от объекта яркостная и фазовая картины объекта становятся более искаженными в виду усиления дифракционных эффектов. Источник: Physical Review E.
Исследователями было также показано, что с уменьшением электронной плотности плазмы дифракционные эффекты, наблюдаемые в выходной плоскости объекта, становятся слабыми, тогда как масштабирование плазменных объектов не сопровождается изменением их дифракционных картин в выходной плоскости, но приводит к существенным изменениям в проявлении дифракционных эффектов вдали от объектов. В то же время было обнаружено, что по сравнению с фазовыми дифракционными картинами плазменных объектов, их яркостные картины (получаемые в терминах изменений интенсивности) оказываются наиболее чувствительными к малым вариациям в распределении электронной плотности плазмы.
Со слов исследователей, установленные факты оказались крайне полезными при обработке реальных изображений плазменных структур, получаемых в эксперименте.
Полученные результаты численного моделирования позволили количественно предсказать основные закономерности в визуализации плазменных микроструктур, просвечиваемых когерентным лазерным излучением, а также объяснить, почему при обработке экспериментальных данных нередко наблюдаются трудно интерпретируемые оптические артефакты. Результаты численного моделирования дали хорошее согласие с экспериментальными наблюдениями, что подтверждает достоверность предложенного подхода.
Для проверки численных результатов исследователями была разработана специальная оптическая установка, включающая пикосекундный лазер Nd:YAG с излучением на длинах волн 1064 и 532 нм при длительности лазерного импульса 70 пс на длине волны 532 нм и 100 пс на длине волны 1064 нм.
Рисунок 4. Схематическое изображение диагностической установки, используемой для визуализации плазменных микроструктур на длинах волн 532 нм и 1064 нм. Источник: Physical Review E.
Лазер был синхронизован с высоковольтным генератором, который использовался для инициирования искровых разрядов в атмосферном воздухе в коротких разрядных промежутках. При подаче наносекундного высоковольтного импульса на разрядный промежуток и после наступления его электрического пробоя в объеме газоразрядной среды начиналось формирование высокоионизованной плазмы в виде микронных токовых каналов. Данные структуры использовались, с одной стороны, в качестве объектов для исследования, а с другой — для верификации разработанных подходов к описанию их визуализации в поле лазерного излучения.
Для этого ученые в разработанной оптической системе реализовали синхронную регистрацию лазерных тенеграмм и интерферограмм плазменных формирований с возможностью их одновременной диагностики на двух длинах волн с высоким временным и пространственным разрешением.
Рисунок 5. Визуализация плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе методами лазерной теневой фотосъёмки и интерферометрии на длинах волн 532 и 1064 нм. Источник: Physical Review E.
Результаты экспериментальных исследований показали, что плазменные структуры микронного диаметра демонстрируют ярко выраженные дифракционные эффекты, зависящие от длины волны лазерного излучения, степени ионизации плазмы, размера объекта. При этом удалось подтвердить ряд необычных эффектов в визуализации плазменных структур. А именно, исследователи установили, что когда объектная плоскость оптической линзовой системы сфокусирована на характерный центр симметрии плазменного образования, какие-либо заметные колебания интенсивности излучения в плоскости изображения оптической системы исчезают — объект становится невидим на тенеграммах, а фазовая картина объекта регистрируется максимально корректно. При отрицательной дефокусировке яркостная картина объекта в плоскости изображения ничем не отличается от рассчитанной позади объекта в рамках решения прямой задачи дифракции. Сами картины объекта в данном случае характеризуются размытием профиля фазового сдвига, появлением флуктуаций фазового сдвига противоположного знака, падением интенсивности изображения в центре объекта и увеличением интенсивности изображения в пределах периферии объекта. При положительной дефокусировке фазовая картина плазменного объекта похожа на наблюдаемую при положительной дефокусировке, но раскрываются небольшие отличия в формах профилей фазового сдвига.
В то же время яркостная картина объекта оказывается инвертированной, наблюдается увеличение интенсивности изображения в центре объекта и ее ослабление на периферии объекта. Другими словами, происходит инверсия контраста изображения объекта.
Рисунок 6. Лазерная теневая фотосъёмка плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе в условиях отрицательного и положительного эффектов дефокусировки. Длина волны излучения 532 нм. Источник: Physical Review E.
«Глубокое понимание основных принципов визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения имеет решающее значение для их прецизионной регистрации и последующего восстановления диэлектрической проницаемости или распределения электронной плотности, — отметил Даниил Толбухин, инженер лаборатории прецизионной оптомехатроники МФТИ. — Важно также понимать, как именно визуализируется объект при его съёмке оптической линзовой системой, поскольку становится существенным эффект дефокусировки, когда объектная плоскость линзы или объектива не сфокусирована на выходную плоскость объекта. Наша работа последовательно и методично объясняет все аспекты данных проблем, а также предоставляет регламент их решения. Более того, дифракционные эффекты, которые искажают яркостные и фазовые картины объекта, можно обратить на пользу в процедуре восстановления характеристик просвечиваемого объекта по результатам его лазерной дифракционной съёмки. Это мы покажем в наших последующих исследованиях».
«Быстро эволюционирующие плазменные микроструктуры являются наиболее трудными для оптических измерений. Исследовать оптические характеристики таких объектов можно посредством их взаимодействия с когерентным лазерным излучением. Однако даже в самых простых приближениях взаимодействие лазерного излучения с микроструктурированным плазменным объектом может сопровождаться сложными дифракционными эффектами, существенно искажающими его фазовые и яркостные картины. Это неизбежно влияет на результаты фотографической съёмки с использованием лазерного излучения, приводя к некорректным данным при восстановлении параметров объекта. Данная проблема до сих пор значима во многих направлениях фундаментальной и прикладной науки», — отметил Паркевич Егор, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности руководителя Лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П.Н. Лебедева. — «Результаты наших исследований раскрывают суть дифракционных эффектов, сопровождающих процесс визуализации плазменных микроструктур, позволяя учесть их при обработке лазерных изображений и значительно повысить точность их математической обработки. В дальнейшем результаты исследований могут быть полезны для развития прецизионных методов контроля генерации плазмы в импульсных газоразрядных системах, а также при создании комплексов лазерной дифракционной томографии высокого временного и пространственного разрешения».
Результаты исследований открывают большие возможности в реализации экспериментов по исследованию быстро эволюционирующих плазменных микрообъектов. Понимание ключевых аспектов дифракции лазерного излучения и закономерностей в визуализации плазменных структур позволяет значительно упростить дизайн оптических систем с лазерным зондированием, включая сами принципы регистрации плазменных объектов. Это делает результаты работы востребованными и полезными для широкой научной аудитории.
Научная статья: E. V. Parkevich, A. I. Khirianova, T. F. Khirianov, K. T. Smaznova, D. V. Tolbukhin, V. M. Romanova, I. A. Kozin, and S. A. Ambrozevich. Strong diffraction effects accompany the transmission of a laser beam through inhomogeneous plasma microstructures. Phys. Rev. E 109, 055204 – Published 14 May, 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.055204
| 31.03.25 | 28.03.2025 Naked Science. Физики узнали, как плазма «ломает» лазерные лучи |
Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева (ФИАН РАН) и МФТИ провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что этот процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения.
Дифракция плоской волны на плазменном образовании / © Physical Review E
Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда.
Плазма, созданная в виде ионизированного газа, обладает уникальными оптическими свойствами, которые делают ее интересным объектом для исследования. Плазма активно используется в различных областях науки, техники и промышленности. Знания о ее свойствах нужны для контроля процесса плазменного катализа, плазменной резки, сварки и напыления, синтеза наночастиц, при стерилизации имплантатов и хирургических инструментов, в системах поджига топливных смесей, а также в различных импульсных электроразрядных устройствах, используемых в современной энергетике.
Плазму с высокой концентрацией электронов можно изучать с помощью методов лазерного зондирования — интерферометрии, теневой и шлирен-фотосъемки, когда вследствие взаимодействия лазерного пучка с плазменной структурой изменяются его интенсивность, фаза и поляризация. Анализируя изменения в характеристиках лазерного излучения, можно восстановить пространственное распределение диэлектрической проницаемости плазмы в рамках решения прямых и обратных дифракционных задач, а также оценить и другие ее важные параметры. Однако реализация даже таких традиционных методов диагностики плазмы сталкивается с рядом сложностей.
Ключевая проблема — это дифракция лазерного излучения, которая усложняет интерпретацию результатов оптических измерений и играет важную роль в самом процессе визуализации неоднородной плазменной структуры. Обычно дифракционным эффектам при обработке результатов лазерного зондирования не придается большого значения, в частности, ввиду сложности их анализа в эксперименте. При этом в области непосредственно за плазменным объектом (ближней волновой зоне) закономерности проявления дифракционных эффектов до недавнего времени оставались недостаточно изученными. В то же время именно в ближней волновой зоне формируются ключевые особенности изображений плазменных микроструктур, и их детальное понимание необходимо для последующего точного восстановления параметров плазмы.
Чтобы изучить дифракционные эффекты, ученые провели всестороннее численное моделирование прямой задачи дифракции на основе решения скалярного волнового уравнения Гельмгольца, описывающего распространение лазерного излучения сквозь неоднородную плазменную среду.
Схематическое изображение оптической системы регистрации в виде эквивалентной линзы (a). Иллюстрация фокусировки эквивалентной линзы на острийный электрод с небольшим плазменным образованием с расстоянием дефокусировки ∆d0: оно меньше нуля, если объектная плоскость линзы находится позади выходной плоскости плазменного объекта (b), больше нуля в случае, когда объектная плоскость линзы находится перед выходной плоскостью плазменного объекта (c) / © Physical Review E
Для решения данного уравнения использовалось первое Рытовское приближение — метод асимптотического решения уравнения в парадигме функции комплексной фазы при доминирующем рассеянии волны вперед. В качестве плазменной среды были рассмотрены тонкие нити сильно ионизованной плазмы (диаметром порядка 20 мкм), выступающие в качестве модели одиночных микроканалов, из которых состоит электрическая искра в газе (примеры приведены в конце работы, опубликованной в Physical Review E). Помимо этого, ученые дополнили результаты моделирования дифракции лазерного излучения на неоднородных плазменных микроструктурах численным расчетом прохождения дифрагированного излучения сквозь оптическую линзовую систему, в оптических каналах которой реализованы методы визуализации на основе интерферометрии и теневой фотосъемки.
В условиях реального эксперимента возникновение и эволюция плазмы в пространстве, как правило, имеет спорадичный характер. Из-за этого оптическая линзовая система вносит определенные искажения в характеристики поля регистрируемого лазерного излучения, поскольку возрастает влияние эффекта дефокусировки — несовпадение объектной плоскости регистрации оптической системы с выходной плоскостью объекта, в которой он вносит окончательные изменения в поле проходящего излучения.
С использованием разработанного математического аппарата, алгоритмов численного расчета и программного кода ученые детально описали ключевые закономерности визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения. Исследователям также удалось определить роль дифракционных эффектов в процессе формирования изображений плазмы и установить множество ранее неизвестных оптических артефактов, возникающих в процессе визуализации плазмы.
Исследователи обнаружили, что даже в наиболее простых случаях взаимодействия лазерного излучения с неоднородной плазмой дифракционные эффекты оказывают существенное влияние на визуализацию плазменных микроструктур. В ближней волновой зоне данные эффекты особенно выражены и приводят к заметным искажениям в регистрируемых яркостных и фазовых картинах плазменного объекта. В частности, проявляются многочисленные флуктуации интенсивности волны и ее фазового сдвига.
Дифракционные карты интенсивности (a) и сдвига фазы (b) плоской волны (с длиной волны 532 нм), смоделированные позади плазменной нити диаметром 20 мкм на дистанции до L=1 см (относительно выходной плоскости плазменного объекта). Иллюстрация поведения интенсивности (c) и сдвига фазы (d) дифрагированной волны позади объекта в периферийном направлении, а также вдоль ее распространения (e) в плоскости с координатой y=0 / © Physical Review E
Яркостная картина дифракции излучения (в терминах изменений интенсивности лазерного излучения) в направлении распространения зондирующего пучка за объектом характеризуется значительным падением интенсивности волны (плазменные нити действуют как отрицательные цилиндрические линзы), тогда как на периферии картина представлена чередованием мелкомасштабных зон с увеличением или уменьшением интенсивности излучения, укладывающихся в дифракционный конус, угол при вершине которого совпадает с областью, содержащей плазменный объект. Фазовая картина дифракции излучения также характеризуется многочисленными флуктуациями, а ее максимальное значение достигается в выходной плоскости объекта. По мере удаления от объекта яркостная и фазовая картины объекта становятся более искаженными в виду усиления дифракционных эффектов.
Исследователями было также показано, что с уменьшением электронной плотности плазмы дифракционные эффекты, наблюдаемые в выходной плоскости объекта, становятся слабыми, тогда как масштабирование плазменных объектов не сопровождается изменением их дифракционных картин в выходной плоскости, но приводит к существенным изменениям в проявлении дифракционных эффектов вдали от объектов. В то же время было обнаружено, что по сравнению с фазовыми дифракционными картинами плазменных объектов, их яркостные картины (получаемые в терминах изменений интенсивности) оказываются наиболее чувствительными к малым вариациям в распределении электронной плотности плазмы.
Со слов исследователей, установленные факты оказались крайне полезными при обработке реальных изображений плазменных структур, получаемых в эксперименте.
Полученные результаты численного моделирования позволили количественно предсказать основные закономерности в визуализации плазменных микроструктур, просвечиваемых когерентным лазерным излучением, а также объяснить, почему при обработке экспериментальных данных нередко наблюдаются трудно интерпретируемые оптические артефакты. Результаты численного моделирования дали хорошее согласие с экспериментальными наблюдениями, что подтверждает достоверность предложенного подхода.
Схематическое изображение диагностической установки, используемой для визуализации плазменных микроструктур на длинах волн 532 нм и 1064 нм / © Physical Review E
Для проверки численных результатов исследователями была разработана специальная оптическая установка, включающая пикосекундный лазер Nd:YAG с излучением на длинах волн 1064 и 532 нм при длительности лазерного импульса 70 пс на длине волны 532 нм и 100 пс на длине волны 1064 нм.
Лазер был синхронизован с высоковольтным генератором, который использовался для инициирования искровых разрядов в атмосферном воздухе в коротких разрядных промежутках. При подаче наносекундного высоковольтного импульса на разрядный промежуток и после наступления его электрического пробоя в объеме газоразрядной среды начиналось формирование высокоионизованной плазмы в виде микронных токовых каналов. Данные структуры использовались, с одной стороны, в качестве объектов для исследования, а с другой — для верификации разработанных подходов к описанию их визуализации в поле лазерного излучения.
Для этого ученые в разработанной оптической системе реализовали синхронную регистрацию лазерных тенеграмм и интерферограмм плазменных формирований с возможностью их одновременной диагностики на двух длинах волн с высоким временным и пространственным разрешением.
Визуализация плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе методами лазерной теневой фотосъемки и интерферометрии на длинах волн 532 и 1064 нм / © Physical Review E
Результаты экспериментальных исследований показали, что плазменные структуры микронного диаметра демонстрируют ярко выраженные дифракционные эффекты, зависящие от длины волны лазерного излучения, степени ионизации плазмы, размера объекта. При этом удалось подтвердить ряд необычных эффектов в визуализации плазменных структур. А именно, исследователи установили, что когда объектная плоскость оптической линзовой системы сфокусирована на характерный центр симметрии плазменного образования, какие-либо заметные колебания интенсивности излучения в плоскости изображения оптической системы исчезают — объект становится невидим на тенеграммах, а фазовая картина объекта регистрируется максимально корректно.
При отрицательной дефокусировке яркостная картина объекта в плоскости изображения ничем не отличается от рассчитанной позади объекта в рамках решения прямой задачи дифракции. Сами картины объекта в данном случае характеризуются размытием профиля фазового сдвига, появлением флуктуаций фазового сдвига противоположного знака, падением интенсивности изображения в центре объекта и увеличением интенсивности изображения в пределах периферии объекта. При положительной дефокусировке фазовая картина плазменного объекта похожа на наблюдаемую при положительной дефокусировке, но раскрываются небольшие отличия в формах профилей фазового сдвига.
В то же время яркостная картина объекта оказывается инвертированной, наблюдается увеличение интенсивности изображения в центре объекта и ее ослабление на периферии объекта. Другими словами, происходит инверсия контраста изображения объекта.
Лазерная теневая фотосъемка плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе в условиях отрицательного и положительного эффектов дефокусировки. Длина волны излучения 532 нм / © Physical Review E
«Глубокое понимание основных принципов визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения имеет решающее значение для их прецизионной регистрации и последующего восстановления диэлектрической проницаемости или распределения электронной плотности, — отметил Даниил Толбухин, инженер Лаборатории прецизионной оптомехатроники МФТИ. — Важно также понимать, как именно визуализируется объект при его съемке оптической линзовой системой, поскольку становится существенным эффект дефокусировки, когда объектная плоскость линзы или объектива не сфокусирована на выходную плоскость объекта.
Наша работа последовательно и методично объясняет все аспекты данных проблем, а также предоставляет регламент их решения. Более того, дифракционные эффекты, которые искажают яркостные и фазовые картины объекта, можно обратить на пользу в процедуре восстановления характеристик просвечиваемого объекта по результатам его лазерной дифракционной съемки. Это мы покажем в наших последующих исследованиях».
Результаты исследований открывают большие возможности в реализации экспериментов по исследованию быстро эволюционирующих плазменных микрообъектов. Понимание ключевых аспектов дифракции лазерного излучения и закономерностей в визуализации плазменных структур позволяет значительно упростить дизайн оптических систем с лазерным зондированием, включая сами принципы регистрации плазменных объектов. Это делает результаты работы востребованными и полезными для широкой научной аудитории.
https://naked-science.ru/article/column/plazma-lomaet-lazernye-lu
| 31.03.25 | 29.03.2025 Пронедра. Космическая загадка: возможно ли, что наша Вселенная находится внутри черной дыры? |
Иллюстрация: pronedra.ru
Современная наука полна удивительных открытий, которые заставляют нас переосмысливать фундаментальные представления о природе мироздания. Одним из таких открытий стали данные, полученные с помощью космического телескопа нового поколения «Джеймс Уэбб». Эти данные поставили под сомнение принцип изотропности, согласно которому Вселенная должна быть однородной и изотропной, и вновь подняли вопрос о том, что наша Вселенная может находиться внутри черной дыры.
Неожиданная аномалия
Анализ 263 галактик показал, что около 60% из них вращаются по часовой стрелке, в то время как оставшиеся 40% — против. Такое распределение вызвало удивление у ученых, поскольку при равномерном и случайном распределении направление вращения должно быть примерно одинаковым. Это наблюдение стало основанием для новой волны дискуссий в научном сообществе.
Гипотеза Лиора Шамира
Физик Лиор Шамир из Университета Канзаса предложил два возможных объяснения обнаруженной аномалии. Первое объяснение связано с идеей, что Вселенная могла изначально родиться вращающейся. Это предположение хорошо согласуется с так называемой теорией «космологии черной дыры». Согласно этой модели, наша Вселенная является внутренней частью гигантской черной дыры, расположенной в более крупной «родительской» Вселенной. Таким образом, вращение может быть фундаментальным свойством нашей Вселенной.
Второе возможное объяснение связано с особенностями наблюдений. Движение Земли в космическом пространстве может искажать восприятие направления вращения далеких галактик. Некоторые из них могут казаться более яркими в инфракрасном диапазоне, что создает иллюзию преобладания определенного направления вращения.
Сомнения и скептицизм
Несмотря на сенсационность гипотезы, многие ученые относятся к ней с осторожностью. Российский астрофизик Сергей Пилипенко из Физического института имени Лебедева (ФИАН) указывает на недостаточный объем выборки и возможность методических ошибок. Кроме того, существует вероятность, что на результаты могли повлиять иные факторы, которые не были учтены при анализе данных.
«Такие наблюдения должны быть проверены на значительно большем количестве галактик. Также необходимо убедиться, что методы определения направления вращения надежны и воспроизводимы,» —
отмечает Пилипенко.
Что дальше?
Полученные данные открывают новые горизонты для исследований. Вопрос о том, является ли наша Вселенная частью гигантской черной дыры, пока остается без окончательного ответа. Однако само существование таких гипотез подчеркивает, насколько мало мы знаем о природе Вселенной.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» продолжит свою работу, собирая данные, которые помогут подтвердить или опровергнуть текущие предположения. Одно можно сказать с уверенностью: мы находимся лишь в начале пути к пониманию устройства мироздания.
Таким образом, загадка вращения галактик и вопрос о природе нашей Вселенной остаются открытыми. Возможно, именно эти исследования станут ключом к разгадке одной из самых больших тайн человечества.
Ранее на сайте «Пронедра» писали, что Вселенная внутри чёрной дыры: новая загадка от телескопа «Джеймс Уэбб»
