Фотография обычных неламинированных нанотрубок, сделанная с помощью сканирующей электронной микроскопии.
Ученые создали простой и доступный способ самосборки углеродных нанотрубок, обеспечивающий их ориентацию в одном направлении. Пленки из упорядоченных нанотрубок могут применяться в лазерах для генерации ультракоротких световых импульсов. Такие лазеры используют в биологии и медицине для создания высококачественных изображений тканей и органов при диагностике заболеваний. Параллельное расположение нанотрубок повышает эффективность генерации импульсов на 30% и снижает шумы в выходном излучении на 25–40%. Это позволит улучшить качество существующих лазеров. Результаты исследования, поддержанногогрантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Carbon.
Волоконные лазеры, генерирующие ультракороткие световые импульсы, используются в медицине для получения изображений клеток, тканей и органов, позволяющих обнаружить различные заболевания, например, опухоли. В работе эти лазеры преобразуют непрерывное излучение в световые импульсы длительностью в квадриллионную долю секунды. Такие короткие сигналы необходимы для качественной «фотографии» быстропротекающих процессов в биологических тканях и активных веществах.
В настоящее время извлечение коротких сигналов затруднено из-за «загрязнения» шумами, искажающими форму и структуру их последовательности. Эта проблема может быть преодолена путём пропускания лазерного излучения через упорядоченно расположенные углеродные нанотрубки.
Пленки, основанные на них, поляризуют свет, упорядочивая направление колебаний световой волны, составляющей лазерный импульс. Это позволяет точнее «настраивать» характеристики ультракоротких импульсов. Неупорядоченные нанотрубки не обладают поляризационными свойствами, делая лазерное излучение более хаотичным. Учёные разрабатывают методики упорядочивания нанотрубок для повышения качества лазерных систем с ультракороткими импульсами.
Ученые из Московского физико-технического института (Долгопрудный), Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) и Технический университет имени Н.Э. Баумана. (Москва) впервые получилиПленки с упорядоченными нанотрубками созданы с помощью простого и недорогих метода самосборки. Авторы ультразвуком смешали коммерчески доступные углеродные нанотрубки с холатом натрия, а затем при медленной сушке в течение 2–3 суток нанотрубки упорядоченно самособирались в пленку. Ускорив выпаривание, исследователи получили контрольные образцы со случайным распределением нанотрубок. Изготовленные пленки использованы в лазерах как специальные фильтры излучения.
На изображении, сделанном с помощью сканирующей электронной микроскопии, видны типичные упорядоченные нанотрубки.
Лазеры с упорядоченно расположенными нанотрубками преобразуют энергию излучения в ультракороткие импульсы на 30% эффективнее. Ученые могут изменять длительность лазерного импульса, регулируя угол наклона нанотрубок относительно оптической оси лазера.
Исследователи сравнили шумовые сигналы двух типов лазеров. Импульсы лазера с пленкой из упорядоченных нанотрубок оказались стабильнее на 25–40%. В ходе экспериментов не обнаружено повреждений или ухудшения работы плёнок после многократного использования. Разработанный материал может использоваться в задачах, требующих длительной работы лазера, например, при лечении онкологических заболеваний. На базе этой технологии создана новая лазерная система для медицины в области дерматологии, которая поддерживается проектом «Фотоника» программы Приоритет 2030 МГТУ имени Н.Э. Баумана.
Результаты могут улучшить качество волоконных лазеров, расширив сферы их применения в науке, промышленности и медицине. Где важна точность рабочих параметров, надежность и стабильность характеристик излучения. В дальнейшем планируют повысить стабильность и эффективность ультракоротких импульсов волоконных лазеров. — поясняет Станислав Сазонкин, начальник лаборатории волоконных лазеров ультракоротких импульсов научно-образовательного центра «Фотоника и ИК-техника» МГТУ имени Н.Э. Баумана, участник проекта, поддержанного грантом РНФ.
Российский научный фонд предоставил информацию и фотографии.