Наука и технологии России

Вход Регистрация

Лазерные перспективы

В Томском государственном университете (ТГУ) разработали высокопроизводительный вычислительный комплекс, позволяющий проектировать лазеры с заданными свойствами. С его помощью можно значительно удешевить и ускорить производство.

Благодаря обновлённому и расширенному парку оборудования и приборов томские учёные получают результаты мирового уровня

Справка STRF.ru:
Проект «Разработка высокопроизводительного программного комплекса для моделирования перспективных лазерных сред на основе органических соединений в твердотельных матрицах» выполнялся при поддержке ФЦП «Исследования и разработки» на 2007–2013 годы. Объём финансирования: бюджетное – 8 миллионов рублей, внебюджетное – 2 миллиона рублей. Сроки выполнения – с 12 октября 2011 по 5 сентября 2012 года. Проект также реализуется в рамках технологической платформы «Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии – фотоника»

Лазеры применяются в самых разных сферах – в медицине, экологии, химической промышленности, нефтедобыче и т.д. За прошедшие 50 лет их научились делать на самых разных активных средах (источниках излучения). Наиболее перспективными считаются органические соединения. Сегодня синтетическая химия производит множество органических молекул с различными функциональными возможностями, что позволяет разрабатывать лазеры для конкретных целей.

Задать нужные параметры

«В настоящее время стоит задача создавать лазеры с заданными характеристиками для определённых научных или практических задач, – говорит заведующий лабораторией отделения фотоники Сибирского физико-технического института ТГУ Виктор Артюхов. – Чаще всего удовлетворить всем параметрам не удаётся. Поэтому нужно находить компромиссы. Чуть похуже стабильность, зато нужная длина волны; дешевизна производства, но быстрая выработка и т.д. В ходе предварительных вычислений и моделирования лазерных сред всё это можно спрогнозировать, заранее обсудив с потенциальным заказчиком все детали. При этом необходимо учитывать, какую среду он выберет: газ, жидкость, твёрдое тело, органическое вещество, каким экологическим требованиям она должна удовлетворять».

Виктор_Артюхов Виктор Артюхов считает, что при создании лазеров с заданными характеристиками нужно находить компромиссы, заранее обсуждая с потенциальным заказчиком все детали

Лазер характеризует прежде всего длина волны. В некоторых случаях необходимо достичь точности до 1–2 нанометров. Учёные разрабатывают активные среды лазеров в диапазоне от 800 до 300 нанометров. В своё время им принадлежал мировой рекорд по самому короткому излучению для жидкостных лазеров на органических соединениях (328 нм). Кроме того, надо учитывать и такие характеристики, как длина импульса, источник возбуждения, ресурс работы и, наконец, предполагаемая стоимость.

Создание лазера – комплексная работа нескольких коллективов. Всё нужно просчитать, воспроизвести в макетах, лабораторных образцах, снять данные на соответствующих приборах в эксперименте, сопоставить. Чтобы выполнять такую работу, должна постоянно развиваться экспериментальная техника. За последние 10 лет Томский университет смог существенно обновить и расширить парк оборудования и приборов. В распоряжении учёных хорошие спектрометры, большой набор лазеров как источников возбуждения. Всё это позволяет им проводить исследования – как теоретические, так и экспериментальные, получать результаты мирового уровня.

Сложный расчёт

Для создания лазера с заданными свойствами вначале генерируется активная среда – подбирается оптимальная концентрация вещества, параметры излучения, импульса, условия накачки. Всё это требует сложных вычислений, которые можно упростить за счёт моделирования среды. Учёные создали программу, которая позволяет заранее определять все параметры, необходимые для создания вещества с заданными свойствами: его концентрации, плотность и мощность накачки.

«Расчёты мы проводили на суперкомпьютере СКИФ Cyberia, который был создан в Томском университете в 2007 году при непосредственном участии российской компании “Т-Платформы”, – говорит Виктор Артюхов. – В наших исследованиях участвовали сотрудники физического факультета ТГУ и специалисты в области параллельных вычислений. Фактически было задействовано три группы».

В системе хранения данных суперкомпьютера создана база данных, где собраны характеристики молекул, результаты квантово-химических и экспериментальных измерений. А также результаты работы программы по вычислению генерационных характеристик. В целом вычислительный комплекс включает программу для ЭВМ, электронную базу данных и интерфейс, который всё связывает и даёт возможность пользователю управлять вычислительным экспериментом. Таким образом, был создан автоматизированный высокопроизводительный программно-аппаратный комплекс, позволяющий моделировать активную среду с заданными свойствами и получать требуемые спектральные и энергетические параметры лазеров.

Отличительными особенностями, которые определяют уникальность созданного программно-аппаратного комплекса, являются использование суперкомпьютерных технологий и широкополосного доступа, позволяющего любому учёному проводить исследования и оперативно получать результаты.

Экономический эффект

Учёные ТГУ просчитали экономический эффект от использования своего вычислительного комплекса. С его помощью можно снизить затраты на разработку и оптимизацию состава твердотельных активных элементов лазеров. Экспериментальное определение состава и режима работы лазерно-активной среды – очень дорогостоящий, трудоёмкий и долгий процесс. Так, синтез одной партии матриц занимает от 2 до 4 недель со строгим контролем температуры. Стоимость лазерных красителей приемлемой степени очистки очень высока – в среднем около 25 тысяч рублей за 1 грамм. Для оптимизации состава матриц только экспериментально потребуется последовательно синтезировать и исследовать несколько партий – от 3 до 5 образцов лазерно-активных сред, что займёт около полугода работы. Использование высокопроизводительного программного комплекса, созданного томскими учёными, позволит сократить время на оптимизацию состава, синтез и исследование материалов до 1 месяца.

Обсуждение