Ученые ЛЭТИ и ГОИ им. С. И. Вавилова создали прототип оптоэлектронного устройства, перспективного для лазерных технологий и биомедицины

Исследователи работают над более упрощенным и недорогостоящим методом создания оптического компонента – жидкокристаллического вращателя плоскости поляризации, который необходим для перестройки параметров излучения в оптоэлектронике.

В современном здравоохранении оптические компоненты играют ключевую роль в биомедицинских устройствах, обеспечивая высокую точность и эффективность в диагностике, лечении и исследованиях различных заболеваний. Эти технологии находят применение в таких областях, как офтальмология, онкология, кардиология и патологии дыхательной системы. Среди биомедицинских устройств, использующих оптические компоненты – лазерные системы для хирургии, оптические томографы, спектрометры, биосенсоры и микроскопы. 

Основную роль в работе таких компонентов играет поляризация излучения – это явление выделения лучей с определенной ориентацией электрического вектора из естественного света. Такой процесс влияет на взаимодействие света с материалами и может существенно изменять характеристики оптических систем. Поэтому, если управлять углом поворота плоскости поляризации, можно, например, повысить четкость и контрастность изображений в любом дисплее, в частности, медицинском.

Это может быть реализовано с помощью так называемых жидкокристаллических вращателей – оптоэлектронных устройств, которые представляют собой слой жидких кристаллов, заключенный между прозрачными электрическими контактами. Управление углом с помощью такого устройства происходит благодаря приложению электрического поля к жидким кристаллам. В целом, в зависимости от конечного назначения, к вращателям плоскости поляризации предъявляются разные требования (по рабочему спектральному диапазону, степени поляризации, массогабаритным параметрам и условиям эксплуатации). Таким образом, подобным устройствам необходима соответствующая компонентная база.

Однако в России в текущих экономических условиях существует острая необходимость в подобных электронных компонентах. В связи с дефицитом указанной продукции и свободной нишей на отечественном рынке, исследователи ищут способы менее дорогостоящего и трудоемкого создания жидкокристаллического вращателя плоскости поляризации. Это позволит сделать технологию более доступной для многих компаний, что может привести к более широкому использованию этой технологии в различных устройствах и приложениях. 

В частности, фундаментальные и прикладные исследования по разработке новых материалов для функциональных и жидкокристаллических слоев ведутся совместными усилиями ученых Государственного оптического института им. С. И. Вавилова (ГОИ им. С. И. Вавилова) и кафедры Фотоники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») под руководством д.ф.-м.н. Наталии Владимировны Каманиной. Ранее ученые ГОИ им. С.И. Вавилова отработали технологические процессы для получения функциональных слоев и  жидкокристаллических устройств на их основе. После чего команда  исследователей получила жидкокристаллические элементы с улучшенными характеристиками. На основе приобретенных ранее данных о свойствах материалов оптической электроники они смогли приступить к созданию оптического жидкого компонента.

«В связи с большим имеющимся заделом, созданным в ГОИ им С.И. Вавилова и активной поддержкой СПбГЭТУ «ЛЭТИ», сейчас у нас появилась возможность переходить к масштабированию технологии путем упрощения технологических процессов. Ключевым вопросом вместо «Как это будет работать?» стал «Как это сделать более доступным?». Таким образом, мы создали лабораторный прототип жидкокристаллического вращателя плоскости поляризации. Он необходим для перестройки параметров излучения видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов, что применимо в биомедицине», – поделился руководитель проекта, выпускник кафедры Фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ», сотрудник ГОИ им. С. И. Вавилова Андрей Сергеевич Тойкка.

На первом этапе ученые сосредоточились на создании базовых моделей и прототипов, которые позволили продемонстрировать возможность контроля над плоскостью поляризации света с использованием жидкокристаллических материалов. Они исследовали различные методы модификации поверхности и способы воздействия внешних сигналов.

«Управление поляризацией света является известной задачей. Однако разработка тонкопленочной ячейки, которую можно производить в России без использования импортных материалов, представляет собой значительную инженерную проблему. Мы оптимизировали каждый этап технологии – от обработки контактной поверхности до выбора ЖК-композита, чтобы добиться воспроизводимой технологии, пригодной для тиражирования в реальных условиях», – отметила аспирант кафедры Фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Лариса Олеговна Федорова.

Так, они получили жидкокристаллическое устройство, представляющее собой сэндвич-структуру из оптических подложек с нанесенными прозрачными контактами, ориентирующих слоев и жидкокристаллической среды. На данный момент оно позволяет оперативно перестраивать параметры устройств под необходимую задачу.

«Уникальность нашей разработки заключается в способе обработки поверхности прозрачных контактов, выборе жидкокристаллических композитов и конфигурации ячеек. На данный момент мы активно работаем над процессами, которые позволят упростить технологию и удешевить стоимость разрабатываемых устройств», – подчеркнул студент 1 курса магистратуры факультета электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Матвей Евгеньевич Ильин.

Исследователи планируют достигнуть необходимого распределения жидких кристаллов, что требует дальнейших экспериментов и оптимизации процессов. Им предстоит разработать новые подходы, которые позволят улучшить характеристики жидкокристаллических устройств, а также повысить их производительность и надежность в различных условиях эксплуатации. 

Прототип жидкокристаллического вращателя плоскости поляризации излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра в перспективе может найти применение в лазерных технологиях, оптических измерениях, волоконной связи, тепловизионных системах, и др.

Разработка проводилась в рамках стартапа ООО «Фотофизикс» выпускника кафедры Фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Андрея Сергеевича Тойкка. Данный проект отобран Фондом «Сколково». Молодой ученый получил возможность презентовать его бизнес-ангелам и представителям венчурных сообществ на площадке инновационного кластера «Ломоносов» во время проведения III Всероссийского форума технологического предпринимательства, который проходил в Москве. Мероприятие было организовано совместно с операторами федерального проекта «Платформа университетского технологического предпринимательства» и Департаментом развития технологического предпринимательства и трансфера технологий Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. По словам руководителя проекта, на текущий момент техническая составляющая одобрена Фондом. Сейчас работа находится на этапе активного взаимодействия с инвесторами. 

Для справки:

Стартап ООО «Фотофизикс» был основан в рамках программы СТАРТ-1 (ФСИ) в 2022 году. 

Основной деятельностью компании является разработка компонентов поляризационной оптики и их последующая интеграция в составе оптико-электронных конкурсов.