Лазеры и Нанофотоника

Определения
“Нано” – от греческого слова “карлик”
1 нм – 10-9 м
Начальное слово направления нанофотоника и нанотехнология
Нанофотоника или фотоника наноструктур – новое направление, которое занимается исследованием взаимодействия излучения с наночастицами и наноструктурами
Нанотехнология – совокупность технических приемов и исследовательских методик, позволяющих создать объекты размером 1÷100 нм и манипулировать ими
Международный союз чистой и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry)
Наносистема – это объект, размер которого хотя бы по одному измерению не превышает 100 нм

Начало нанотехнологической эры
Ричард Фейнман
Лауреат Нобелевской премии за создание теории квантовой электродинамики в 1965 г.
В 1959 г. Ричард Фейнман - провидческая лекция в Калифорнийском Технологическом институте
“Там внизу еще много места”
Гипотеза создания наноразмерных материалов и манипулирования ими (нанороботы, нанолитография, биофотоника и др.).
“Лекция была столь провидческой, что не доходила до людей, пока до нее не дошла технология”

Немного истории
Древний Египет
Синтез нанокомпозитного материала галенита (сульфид цинка)
Размер – до 5 нм
Древняя Греция
Чаша Ликурга (Британский музей)
Поглощение и рассеяние наночастиц золота и серебра
Средневековая Европа
Витражи
Стекло с добавками наночастиц золота и др. металлов
Наноплазмоника металлических структур
Древний Восток (Древняя Индия)
Углеродные нанотрубки в составе дамасской стали.
Гибкость и твердость
Поперечный срез волос, полученный оптическим (вверху) и флуоресцентным (внизу) методами. Видно, что при длительном воздействии древней краски наноразмерные кристаллы глубже проникали в структуру волоса (справа), чем при кратковременном (слева)
Чаша, на которой изображен царь эдонов Ликург, которого Дионис поразил безумием, меняет свой цвет в зависимости от того, где находится источник света: снаружи (слева) или внутри (справа). Посередине рисунка — наночастица золота из образца стекла чаши Ликурга, увиденная с помощью электронного микроскопа
Витраж из собора Нидарос в Трондхейме (Норвегия). Собор построен на месте захоронения Олафа Святого, покровителя Норвегии. (Фото Gerd A.T. Müller.)
Нановолокна цементита, заключенные в углеродные нанотрубки, в образце дамасской стали после травления соляной кислотой (получено методом электронной микроскопии)

Фуллерены
Открытие фуллерена 1985 г.
Нобелевская премия 1996 г.
Р.Ф. Керл (Robert F. Curl)
Rise University, Houston, USA
Г. Крото (Harold Kroto)
University of Sussex, Birgtov, England
Р. Е. Смолли (Richard E. Smalley)
Rice University, Houston, USA
Фуллерены – молекулы, состоящие из атомом углерода (n > 20). Молекула С60 – “бакминстерфуллерен” – состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сферической поверхности в вершинах 20 шестигранников и 12 пятигранников.

К истории открытия фуллеренов
1970 г.
Первый человек, представивший молекулу фуллерена С60 в виде усеченного икосаэдра
Эйдзи Осава (Япония)
Статья в журнале “Катаку” на японском языке
Назвал “Сокербол”
soccer-ball – футбольный мяч
1973÷1974 гг
Квантово-химические расчеты гипотетической замкнутой полой молекулы С 60 - Бочвар, Гальперн, Станкевич, ИНЭОС, Россия
Многогранники Эйлера
Рональд Эйлер (1706-1783гг.)
Член Петербургской Академии Наук
Теорема Эйлера В-Р+Г=2

Открытие фуллеренов
Райс Университет, США, лаборатория Ричарда Смолли
Установка для изучения образования кластеров
Масс-спектр углеродных наночастиц
Масс-спектр углеродных кластеров с пиком С60
Павильон США на всемирной выставке ЭКСПО-67 в Монреале

Применение фуллеренов
Широкополосный быстродействующий нелинейно-оптический ограничитель лазерного излучения
Нелинейная оптика
Управление лазерным излучением
Медицина и фармакология
Инактивация вирусов в биологических жидкостях
Фуллерен-кислород-йодный лазер

Углеродные нанотрубки
Нанотрубки – протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрон, состоящие из одного или нескольких гексагональных графитовых слоев и заканчивающихся полусферической головкой, которая может рассматриваться как половинка фуллерена
Нанотрубки в 10÷12 раз прочнее и в 6 раз легче стали
Открытие нанотрубок
Сумио Инджима 1991 год
(До этого 1952 г. российские ученые
первое электронно-микроскопическое наблюдение нанотрубок (ЖФХ, 26,88,1952. Радушкевич Л.В. Лукьянович В.М.))
Методы получения:
1. Дуговое распыление графита в присутствии катализаторов.
2. Каталитическое разложение углеводородов.
Применение:
Нелинейная оптика, сорбенты газов – водородная энергетика, мембраны, автоэмиссионные катоды, зонды атомно-силовых микроскопов, нанотрубчатая пряжа (хлопок)→по прочности не уступает стали, а по проводимости – алюминию, ткань для пожарников NASA – разработка жилого блока космонавтов для Марса.

Фуллерен-кислород-йодный лазер с оптической, в том числе Солнечной накачкой

Новый подход к созданию йодного-газового лазера
Типы существующих йодных лазеров:
Фотодиссоционный йодный лазер (PDIL) имеет оптическую накачкой с мощный импульс генерации.
Химический кислород-йодный лазер (COIL) имеет высокую мощность излучения для l=1.315мкм.
НЕДОСТАТКИ:
PDIL – обладает низкой эффективностью
COIL – основан на циркуляции Cl, экологическая опасность
Поэтому ИЛФ был предложен и разработан ФУЛЛЕРЕН-КИСЛОРОД-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР (FOIL).
ПРЕИМУЩЕСТВА FOIL:
Нет реакций с хлором, возможность работать в замкнутом цикле без замещения реагентов, экологическая безопасность.
Прямое преобразование солнечной энергии к лазерный луч.
Высокая эффективность преобразования оптической накачки в лазерное излучение (6%-10% для ламповой накачки, 30% для солнечной накачки).

Кинетическая схема фуллерен-кислород-йодного лазера (FOIL)
c
c
c
c
c
400
300
600
800
1000
78
84
60
70
76
Излучение Абсолютно
чёрное тело T = 5785 K
l,
nm
Эффективность поглощения излучения от источника при температуре 5785K для фуллеренов 0.82
Физическая эффективность=40%
Энергия поглощения~ 30%

Основа высокой эффективности фуллерен-содержащих сред для генерации синглетного кислорода
Квантовый выход синглетного кислорода для фуллеренов
ΔΦ = 0.96 ± 0.04 (λ = 532 nm),
Главные реакции:
поглощение света
oF + hν → 1F → 3F σeff ~ 5⋅10-18 ÷ 10-17 cm2
получение синглетного кислорода
3F + O2 → 1ΔO2 + 0F K2 ~ 3.3⋅10-12 cm3sec-1
обратная реакция тушение синглетного кислорода
1ΔO2 + oF → O2 + 3F K3 ~ 8.0⋅10-16 cm3sec-1
Для фуллеренов: K3 << K2
< 10-16 cm3sec-1
Главные преимущества фуллеренов как фотосенсибилизаторов:
*Высокая фотохимическая стабильность. Отсутствие вредных продуктов распада и возможность многократного применения фуллеренов.
*Легко извлечь из биологической среды после фотодинамического воздействия

Твёрдо-фазовый генератор синглетного кислорода. Физический принцип
Сорбция молекул кислорода фуллереном
С60
Общий процесс взаимодействия между молекулами кислорода и твёрдотельным покрытием фуллеренов
Фотодесорбция синглетного кислорода
Микрофотография фуллеренового покрытия на стеклянной пластинке
hν
Сорбция молекул
кислорода фуллеренами
и углеродными
наноструктурами
Получение синглетного
кислорода при взаимодействии
фотовозбуждённых фуллеренов
и углеводными наноструктурами
с молекулярным кислородом
Выход синглетного
кислорода в
газовую фазу
и взаимодействие
с атомами йода
Ip-импульс накачки
1-Plum(0.76m) без охлаждения
2-Plum(0.76m) с охлаждением

FOIL с осевой Xe-ламповой накачкой
Энергия генерации – 4.2 Дж. Удельная энергия~ 9 Дж/л
Физическая эффективность ~ 10%

Model of a singlet oxygen generator on the base of fullerene membrane
A singlet oxygen generation with oxygen flow through the porous membrane at a continuous irradiation of the membrane surface is realized.
Oscillogram of singlet oxygen luminescence over the continuously irradiated fullerene membrane
P=0.15 W/cm2

Параметры:
Пиковая мощность – 40 кВт;
Средняя мощность излучения – 30 Вт;
Частота повторения импульсов – 10 Гц;
Рабочий цикл – 30 сек.
Ближайшая перспектива – лазер с пиковой мощностью 1 МВт и со средней мощностью несколько киловатт.
Лазеры киловаттного уровня имеют хорошие рыночные перспективы для промышленного применения различных областях.
КОМПОНЕНТЫ ОРБИТАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ:
ФУЛЛЕРЕН-КИСЛОРОД-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР С ПРЯМОЙ СОЛНЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ
Экспериментальный стенд с фуллерен-кислород-йодным лазером с накачкой имитатором солнечного излучения

Использование фуллерен-кислород-йодного лазера
Промышленное применение
Излучение на l = 1.315 mkm может быть использовано в волоконно-оптических каналах.
Непосредственное преобразование солнечной энергии в лазерный пучок
Лазерное излучение может быть использовано для управления космическими кораблями и решения будущих энергетических проблем на земле.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА – ЭТО ОДНО ИЗ ГЛАВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ XXI ВЕКА
Годовой объем инвестиций в традиционную солнечную энергетику составляет около 38 миллиардов долларов.
Вклад солнечной энергетики в альтернативную энергетику составляет в настоящее время 25%.
Установленная мощность фотоэлектрических систем составляет 16 ГВт.
Существующие направления:
солнечные термальные установки - для нагрева воды и обогрева зданий
солнечные фотоэлектрические системы - для производства электроэнергии
НЕДОСТАТКИ ТРАДИЦИОННЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Территории с серьезным энергетическим потенциалом расположены далеко от потребителей
Зависимость от погодных условий. Значительные (до 60-90%) потери энергии при прохождении атмосферы
Значительные площади, занимаемые солнечными электростанциями большой мощности
Невозможность использования в ночное и вечернее время, снижающая КПД системы в несколько раз

НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ – ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ
ЦЕЛЬ ДАННОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ:
Приступить к разработке проекта орбитальной электростанции на базе фуллерен-кислород-йодного лазера c использованием полученной энергии для:
Передачи энергии потребителям на Землю
Для энергетической подпитки спутников
Для уничтожения космического мусора
Для подавления зародышей тайфунов
Для применения в составе систем военного назначения
Идея получения электроэнергии с борта космических электростанций является яркой и привлекательной. Она лишена недостатков традиционных солнечных электростанций:
Энергия доступна практически круглосуточно
Не зависит от погодных условий
Энергия может быть передана в практически любой район поверхности Земли, включая северные территории

СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ
Штат Калифорния заключил контракт c компаниями Pacific Gas and Electric Company и Solaren о поставке в 2016 году энергии с орбиты Земли энергопотоком 200 МВт
Стоимость проекта 10 млрд.долларов
Технология - фотоэлектрические преобразователи и микроволновые излучатели.
В состав системы будут входить 4-5 спутников.
Размеры приемной системы на Земле составляют несколько квадратных километров
С помощью системы будет организовано энергоснабжение 250 тысяч домов в округе Фресно, Калифорния
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН ПО ПОЛУЧЕНИЮ ЭНЕРГИИ НА ОРБИТЕ И ДОСТАВКИ ЕЁ НА ЗЕМЛЮ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН ПО ПОЛУЧЕНИЮ ЭНЕРГИИ НА ОРБИТЕ И ДОСТАВКИ ЕЁ НА ЗЕМЛЮ

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН ПО ПОЛУЧЕНИЮ ЭНЕРГИИ НА ОРБИТЕ И ДОСТАВКИ ЕЁ НА ЗЕМЛЮ
ЯПОНИЯ
Проект реализуется государственным органом - Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA)
Финансирование 21 млрд.долларов
Планируемая мощность электростанции – 1 ГВт
Массив солнечных батарей площадью 4 кв.км
Прием энергии – гигантская параболическая антенна морского базирования
Для реализации проекта правительство Японии учредило консорциум на базе корпораций Mitsubishi Electric, NEC, Fujitsu и Sharp.
Два варианта технологии:
1) прямое преобразование солнечной энергии в лазерное излучение с использованием линз Френеля и Nd:YAG лазера.
2) преобразование солнечной энергии в микроволновое излучение

ЕВРОПЕЙСКИЙ СОЮЗ
EADS – Astrium – ведущая европейская компания по производству спутников и спутникового оборудования объявила в январе 2010 о планах запуска демонстрационного спутника с солнечной энергетической установкой на борту
Для передачи энергии на Землю предполагается использование излучения инфракрасного лазера, более безопасного с экологической и биологической точки зрения, чем микроволновое излучение, применяемое в проектах США и Японии.
Эффективность устройства преобразования энергии лазерного луча в электрическую энергию составит до 80 процентов.
Размер финансирования и целевые показатели по мощности не разглашаются.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН ПО ПОЛУЧЕНИЮ ЭНЕРГИИ НА ОРБИТЕ И ДОСТАВКИ ЕЁ НА ЗЕМЛЮ

Преимущества:
Прямая солнечная накачка позволяет использовать значительную часть энергии Солнца. Выдающаяся эффективность преобразования солнечной энергии в лазерный луч – до 30%
Лазер замкнутого цикла – нет расхода реагентов на орбите
Непрерывный, неограниченный цикл работы
Экологически безопасная доставка энергии на Землю – в отличие от американского и японского проектов
Российская идея. Приоритет, защищенный патентом. Зарубежных аналогов нет
Разработка защищена патентом.
Патент РФ Института Лазерной физики ГОИ им.С.И.Вавилова № 2181224 от 20.06.2000 г.
Способ получения генерации стимулированного излучения на атомах йода
Авторы: А.А. Мак, О.Б. Данилов, И.М. Белоусова.
Создание российскими специалистами кислород-йодного лазера с реактором синглетного кислорода на основе фуллеренов является принципиальным прорывом в лазерной технике применительно к прямому преобразованию солнечной энергии в лазерное излучение
НОВЫЙ РОССИЙСКИЙ ПРОЕКТ СОЗДАНИЯ ОРБИТАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ЭФФЕКТИВНЕЕ ЗАРУБЕЖНЫХ

КОМПОНЕНТЫ ОРБИТАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ:
ФУЛЛЕРЕН-КИСЛОРОД-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР С ПРЯМОЙ СОЛНЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ
Исследовательский лазер с оптической накачкой имитатором солнечного излучения (светодиодная матрица)
Лазер с прямой солнечной накачкой для орбитальной электростанции и демонстрационного эксперимента (модуль)
Мощность – 2-3 КВт
Суммарная мощность – 1 ГВт