«Разрозненную энергию фотонов можно организовать в «девятый вал», - Алексей Цаплин, завкафедрой «Общая физика» ПНИПУ

Тема: фотоника

Гости: Алексей Цаплин, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ; Анатолий Ташкинов, ректор ПНИПУ.

Программа: «Ни дня без науки»

Дата выхода: 14 декабря 2014 года

Ведущий: Роман Попов

Справка:

Алексей Цаплин – заведующий кафедрой «Общая физика» Пермского национального исследовательского политехнического университета, профессор, доктор технических наук. С отличием закончил факультет авиадвигателей Пермского политехнического института по специальности "Динамика и прочность машин". После окончания очной аспирантуры защитил кандидатскую диссертацию в Уральском политехническом институте по специальности "Металлургия черных металлов". Работая на кафедре теплотехники, являлся бессменным научным руководителем работ, внедряемых на Пермском машиностроительном заводе им. В.И.Ленина, ПО "Уралмаш", ВНИИ металлургического машиностроения (г. Москва).

Научные интересы: математическое моделирование теплофизических, электромагнитных и оптических процессов в конденсированных средах при фазовых и структурных переходах.

Фотоника и оптоинформатика – это новое, стремительно развивающееся направление подготовки в России на базе физики, математики и компьютерных технологий, это обработка и передача информации и энергии с помощью квантов электромагнитного поля – фотонов. По оценкам специалистов в ближайшие 5 лет 35% продукции мирового рынка займут объекты фотоники и оптоинформатики. Оптоволоконные системы с высокой скоростью передачи данных и высокой плотностью концентрации энергии, компьютеры с оптической межпроцессорной связью, голографические запоминающие устройства сверхбольшой емкости, оптоволоконные лазеры. Фотон, как носитель информации и энергии начинает успешно конкурировать с электроном.

В Пермском крае формируется инновационный территориальный кластер волоконно-оптического приборостроения, объединяющий предприятия, вузы, академические подразделения. В рамках этого кластера в политехническом университете организовано обучение по направлению «Фотоника и оптоинформатика» при партнерстве с Пермской научно-производственной приборостроительной компанией, разрабатывающей навигационные приборы и системы для объектов высокоточного позиционирования. Этот симбиоз  позволяет ускорить подготовку специалистов в новом наукоемком направлении и обеспечить национальную экономическую систему успешными и конкурентоспособными работниками. Пермский край получит новый импульс развития не только в направлении реализации природных ресурсов, но и в новом инновационном направлении, базирующемся на продукции фотоники.

- Ликбез, буквально в 2-3 словах. Фотоника - это...?

Алексей Цаплин: Это от слова «фотон». Это было объединено в науку Льюисом в 1926 году. Довольно новая наука. Фотоника базируется на фотоне как волновой частице, которая переносит энергию. Мы познаем окружающий мир благодаря фотонам, отраженным от различных предметов.

Фотоника - стремительно растущая область знаний. На недавно прошедшем форуме гендиректор ПНППК сказал, что в ближайшие 5 лет треть мировой продукции будет связана с фотоникой. К этой области знаний растет стремительный интерес. Раньше такого не было.

- Фотоника как наука развилась тогда, когда приборы стали позволять более точно исследовать предмет изучения. О фотоне знали, но изучать без соответствующих технологий было невозможно?

Алексей Цаплин: Любопытно, но первые теории фотона появились не у физиков, а у гуманитариев. Наверное, многие помнят произведение "Гиперболоид инженера Гарина". Автор предсказал появление лазера. Через 27 лет, в 56-м году появились первые лауреаты Нобелевской премии Прохоров, Басов, Таунс, которые получили премию за изобретение лазера. Правда, они упаковывали инфракрасную, микроволновую энергию.

Анатолий Ташкинов: Но сама идея идентична.

Алексей Цаплин: Идея летала как фантастическая, но очень быстро была реализована.

Если мы глядим на воду, мы видим рябь - это как слабое проявление фотонов. Но если мы смотрим на картины Айвазовского, то понимаем, что может быть девятый вал, когда волны складываются. Так вот, разрозненную энергию фотонов можно так организовать, что складывается "девятый вал". Это очень устойчивый волновой пакет. 

- Вы говорите об упаковке. Что мы упаковываем и как?

Алексей Цаплин: Для того чтобы передать электроэнергию мощностью 5 КВт, требуется определенное сечение провода. Если сечение маленькое, провод расплавится. Электроэнергию, условно, можно упаковывать в кабель, рассчитывая его сечение. Фотоны тоже можно упаковывать в оптоволокно - это гибкие тонкие стеклянные нити диаметром с человеческий волос. В прошлом году на конференции по оптоволоконной технике, которая проходила в Перми, один из инициаторов оптоволоконных технологий Гапонцев - американец российского происхождения, заявил о том, что сегодня можно упаковать максимум 70 кВт энергии в оптоволокне. Можно и больше, но нет потребителей. 70 кВт - это луч, который режет металл толщиной в сантиметры. Это плотная упаковка.

Фотон - это волна. Если мы глядим на воду, мы видим рябь - это как слабое проявление фотонов. Но если мы смотрим на картины Айвазовского, то понимаем, что может быть девятый вал, когда волны складываются. Так вот, разрозненную энергию фотонов можно так организовать, что складывается "девятый вал". Его можно назвать солетоном. Это очень устойчивый волновой пакет. Сегодня солетонная связь обеспечивает нам быстрый интернет, связь между континентами и т.д.

Анатолий Ташкинов: Я только уточню, что это электромагнитное излучение.

Алексей Цаплин: Конечно. Электромагнитная волна содержит электростатическую и электромагнитную составляющую. Наш глаз нечувствителен к электромагнитной составляющей, он чувствителен к электростатической составляющей. Глаз видит ее в определенном диапазоне - от 400 до 800 нанометров. Энергия упаковывается в том диапазоне, в котором она менее всего поглощается. В оптоволокнах наибольшая пропускная способность в инфракрасном диапазоне - примерно 1500 нм. Мы ее не видим.

- На этих разработках существует цивилизация XXI века.

Алексей Цаплин: Фотон имеет некоторые преимущества перед электроном. По одному оптоволокну можно удвоить поток информации, помещая его в разных плоскостях, чего нельзя сделать с потоком электронов. Сегодня академик Дианов, он заведует кафедрой подготовки магистратуры по направлению «Волоконные лазеры» в нашем университете, на прошлой конференции делал доклад, который называется «На пороге пета-эры» в области волоконной связи. "Пета" - это 10 в 15-й степени. Это количество бит в секунду. Колоссальная скорость. Благодаря таким достижениям техники, межконтинентальные линии связи недогружены. Тут другая проблема - подвести информацию к каждому компьютеру. Дианов привел информацию, которая меня удивила. Сегодня на программу «оптоволокно в каждый дом» в Израиле тратится около 4% ВВП.

- Это следствие мысли, которая появилась на заре интернет-эры: ещё при нашей жизни мы увидим в законодательстве огромного количества стран пункт о свободе информации. Увидим информацию как необходимость, занесенную в Конституцию.

Алексей Цаплин: Мы решаем технические вопросы.

- А к тому, что запрос общества очевиден. Время, когда наука в этом вопросе шла впереди запроса общества, прошло.

Анатолий Ташкинов: Полностью согласен с вами, но наука о фотонике - это не только информация. По оптоволокнам можно точно также передавать энергию. Понятно, что и там есть проблемы потери энергии, рассеивания. Надо определить, в каком диапазоне можно передать максимальное количество энергии без потерь. Максимальная упаковка в невидимом диапазоне.  Может быть, будет придумано волокно, которое будет еще качественнее передавать энергию. Информационный диапазон - это только один из сегментов. Двигатель этой науки - не только он.

Если свет пропускать через оптоволокно, потери будут минимальными, и можно точно позиционировать положение тела, его динамические характеристики, перемещение. Оптоволоконный гироскоп - самый точный прибор позиционирования, который сегодня производят в Перми и которым успешно торгуют на мировом рынке.

Алексей Цаплин: Энергетика - это будущее. Только чистое стекло минимально поглощают энергию. Потери в оптоволокне оценивается в децибеллах на километр. В первом оптоволокне потери были порядка 17 Дб на километр. Китаец Као, лауреат Нобелевской премии, показал теоретический предел потерь - это 0,16 Дб на километр. Это значит, что интенсивность энергии или информации уменьшается в два раза при расстоянии 18 км. Рассеивание происходит не в виде электромагнитных волн, а в виде звука. Причем, оптоволокно звучит не обязательно в диапазоне, который слышит наше ухо.

Любопытный пример: в 1913-м году французский физик проводил эксперименты в подвале в Париже, запуская лучи видимого света в двух направлениях и улавливая разность волн. Интеренференционным методом он пытался определить скорость вращения земли. Его попытка потерпела неудачу, он очень грубо определил скорость. Сегодня, спустя 100 лет, основываясь на этом эффекте, в Перми производят самый точный прибор позиционирования - оптоволоконный гироскоп. Если сегодня свет пропускать через оптоволокно, потери будут минимальными и можно точно позиционировать положение тела, его динамические характеристики, перемещение. Оптоволоконный гироскоп - самый точный прибор позиционирования, которым успешно торгуют на мировом рынке.

- Где он применяется?

Алексей Цаплин: Применение широкое. Например, подводная лодка, которая уходит в плавание. Если она всплывет, чтобы уточнить свои координаты, то будет обнаружена. С помощью нашего гироскопа она определяет свои координаты без связи с внешним миром. В любой момент времени. Другой пример - ракеты типа "воздух - воздух", которые охотятся за объектом, который интенсивно передвигается. Такие приборы ей необходимы.

- До «гражданки» уже дошли или пока только в армии?

Алексей Цаплин: Такие приборы ставят на обычных кораблях.

Анатолий Ташкинов: Сегодня возникают необычные приложения, например, при нефтедобыче. Для увеличения добычи с одной скважины, бурится горизонтальная скважина, и там тоже очень важно точно позиционировать бурильный инструмент.

Алексей Цаплин: Речь идет об интеллектуальных материалах и технологиях. Сегодня нефтяники научились делать интересные вещи. У них сам инструмент имеет несколько отверстий, им важно знать, через какое отверстие прокачивается наиболее обогащенная нефть. Информацию об этом дают оптоволоконные сенсоры.

Новые технологии бывают закрытыми. Нефть от воды отличается, например, диэлектрической проницаемостью. Необходима разработка сенсора, который измерял бы диэлектрическую проницаемость, определяя наиболее обогащенную смесь нефти. У нас студенты, в процессе обучения, начинают изобретать, получать патенты на сенсоры для измерения температуры, давления.

- У вас учатся студенты, которые уже обладатели патентов?

Анатолий Ташкинов: Мы ориентируем, обучаем умению писать статьи, оформлять заявки на изобретения. Мы организуем мастер-классы, приглашаем ученых из других стран. В этом году приезжали около 80 ученых из других стран. Мы стараемся следить за самыми современными достижениями в этом направлении.

- В Перми есть какие-то отдельные, отличные от мировых тренды развития фотоники?

Алексей Цаплин: Формируется оптоволоконный кластер, лидер которого - ПНППК. Она производит оптоволокно, датчики, сенсоры, приборы - наукоемкую продукцию, которая пользуется спросом на мировом рынке. Основная проблема этой компании - квалифицированные кадры.

В состав нашего кластера, который развивается в Перми, входят вузы. У нас в 2009 открыто направление обучения «фотоника и оптоинформатика». Это направление в России есть еще в восьми вузах, но профиль «волоконная оптика» мы реализуем первыми в России. У нас организована магистратура по двум программам. Одна - это «материалы и технологии волоконной оптики», вторая – «волоконные лазеры». Это новые направления, которые реализованы впервые в России.

- Каким образом налажено взаимодействие между промышленниками и учеными? Кто кому ставит задачу?

Алексей Цаплин: В голове сегодня производство. Научные идеи формируются учеными, но, тем не менее, из 20 бакалавров, которых мы приняли на обучение в этом году, 15 заключили договоры с ПНППК, которая платит им дополнительную стипендию. 

- Эти ребята уже знают, куда они пойдут работать.

Алексей Цаплин: Безусловно. Более того, раз в неделю они обучаются на территории будущего работодателя. Университет - это тоже составляющая оптоволоконного кластера. Компания кормит и обучает наших студентов. Кормит в прямом смысле - организует для них обеды.

- Это говорит о том, что работодатель понимает необходимость готовить специалистов с младых ногтей, потому что иначе их не найдешь? Сбылась мечта.

Анатолий Ташкинов: Именно по этому направлению это действительно так. Инициатором развития науки во многом становится производство. Те же гироскопы предыдущего поколения у ПНППК не были связаны с фотоникой, там были другие принципы. Подготовили специалистов по тому направлению, и, когда компания стала переходить на новое поколение гироскопов и датчиков, мы стали работать интенсивнее, следуя за производственной необходимостью.

В состав оптоволоконного кластера, который развивается в Перми, входят вузы. У нас в 2009 открыто направление «фотоника и оптоинформатика». Это направление в России есть еще в восьми вузах, но профиль «волоконная оптика» мы реализуем первыми в России. 

- Пермская научная школа фотоники сложилась?

Алексей Цаплин: Вы правильно заметили, что без фотоники никуда. Особенность подготовки на фотонике - это фундаментальные дисциплины. Это разделы физики, квантовая физика. Без этого не достичь понимания процесса. Такой пример: в оптоволоконном гироскопе, который является брендовым прибором ПНППК, есть модулятор - маленький кристаллик, который разделяет световые пучки. Он работает очень напряженно, и от условий его работы зависит накапливаемая погрешность. Чтобы понимать процессы, которые там происходят, надо знать не только квантовую физику, но и физику твердого тела. Поэтому наши студенты более подробно изучают физику. Производя современные приборы, наши студенты занимаются научными исследованиями.

В области фотоники мы несколько отстаем от других стран. Мы сегодня догоняем, но приборы, которые мы производим, успешно конкурируют на рынке. Мы развиваемся.

Анатолий Ташкинов: Если строго подходить к понятию научной школы, то можно сказать, что эта школа еще формируется. Такие школы формируется годами. Мы не пытаемся решить эту проблему сами здесь. Мы привлекаем в Пермь известных ученых.

- В российской фотонике мы насколько конкурентны? Я не только про практику, но и про теорию.

Алексей Цаплин: Трудно говорить за всю российскую фотонику. Работа по оптоволоконной оптике реализована пока только в Перми, но есть и другие направления фотоники. Это и высокоточное телевидение, медицинские приборы. Мне трудно говорить за все направления фотоники.

Мы сегодня интенсивно образовываемся. Я говорю студентам, чтобы они были готовы все время учиться. Да, говорить о школе еще рано, но школа обязательно вырастет, и я думаю, что лидерами будут наши выпускники.

Анатолий Ташкинов: Должен сказать, что именно в этой области российский и мировые уровни сопоставимы. Где-то мы догоняем, но где-то не отстаем. Есть определенные сегменты, где пермская продукция вполне сопоставима с мировым брендами. Например, если говорить о политехническом университете, это разработки, связанные с производством оптических волокон. Есть проблемы, по которым достаточно известны работы профессора Волынцева - это Классический университет. Это создание резонаторов, датчиков, которые используются в различных продуктах.

- Классический университет и политех соперничают или скорее дополняют друг друга?

Алексей Цаплин: Мы соперничаем скорее в приеме талантливых студентов. В области создания приборов мы партнеры.

Мы действительно не отстаем в области создания высокоточных приборов специального назначения. А вот в области массового применения для населения, к сожалению, ест отставание. Например, есть высокоточное телевидение, появляются коммерческие оптокомпьютеры. Израильское небо стерегут оптокомпьютеры. Мы пользуемся компьютерами, носителями информации в которых является электрон - ЭВМ. Мы видим кризис развития этого направления. Существует фундаментальный предел частоты задающего генератора в ЭВМ. Этот предел обусловлен фундаментальными законами физики. Современные чипы нагреваются до температур, как в сопле ракеты, приходится их охлаждать жидким азотом. Для фотонов этот предел преодолевается, и быстродействие компьютера повышается в 10 тысяч раз! Оптокомпьютеры - это принципиально новые приборы. В этом направлении мы отстаем.

Анатолий Ташкинов: Да, есть масса сегментов, где мы отстаем. Например, медицинские приборы, основанные на фотонике.

- А почему отстаем?

Анатолий Ташкинов: Потому что те фундаментальные знания, которые есть в мире, они у нас в первую очередь внедрялись в оборонной промышленности и уж только потом для товаров народного потребления. А, оказывается, что прямые переносы не всегда возможны.

- А можно вам выступить немного в роли футуролога? Как будет выглядеть мир, когда фотоника займет подобающее ей место?

Алексей Цаплин: Мы уже живем в мире фотоники. 80 процентов информации мы черпаем в виде фотонов. Быстрый интернет, телевидение. Это будет еще более информатизированный мир. Конечно, жизнь изменится в техническом плане.

Анатолий Ташкинов: Если мерить оптические волокна, которые передают информацию, то их протяженность возрастет в десятки раз и превысит протяженность металлических проводов, которые используются сегодня везде. Это тоже будет показателем фотонного века.

- ЛЭП уже не понадобятся?

Анатолий Ташкинов: Тут есть ограничения. На близких расстояниях это все отлично работает. Существует некий теоретический предел. При передаче на 18 километров энергия теряется. Однако наука не стоит на месте, и линии передачи энергии, может быть, будут основаны на фотонных технологиях.

Мы пользуемся компьютерами, носителями информации в которых является электрон - ЭВМ. Мы видим кризис развития этого направления, так как существует фундаментальный предел частоты задающего генератора. Для фотонов этот предел преодолевается, и быстродействие компьютера повышается в 10 тысяч раз! Оптокомпьютеры - это принципиально новые приборы. Они стерегут израильское небо.

Алексей Цаплин: Фотон, как носитель энергии, тоже имеет свои фундаментальные пределы, и мы этому студентов учим. У нас есть курсы нелинейной оптики. Но по сравнению с электроном, фотон дает больше в экономии энергии, в доступе к информации, в медицине.

Наша задача сегодня - изучать фундаментальные вопросы. В обществе есть проблемы, например, сегодня физика для школьников не является обязательным экзаменом. Мы много внимания уделяем гуманитарным предметам, но незаслуженно в ущерб физике, например. Проблема в том, что мы сегодня игнорируем проблемы физико-математического образования. А с этим связаны темпы прогресса нашего общества.

Анатолий Ташкинов: Два ярких примера из пермской действительности.

не так давно проходил инженерно-промышленный форум, который стал событием. Прямо во время этого форума состоялось открытие нового завода в Пермском крае по производству оптических волокон.

Второй пример: у нас в Пермском крае есть проект поддержки исследовательских групп. Вчера в нашем университете подвели итоги очередного конкурса. Из 42 проектов отобрали 9. Один из девяти  - это проект классического университета из области фотоники и оптоволоконного строения. Это международный проект, и это говорит о том, что эта наука занимает свое место и в Пермском крае и в мире.