В 1960 году был создан первый лазер, и уже через пару лет исследования в этой области начали проводиться в Томске. Сегодня здесь разрабатываются несколько типов лазеров – на парах металлов, на плотных газах и перестраиваемые лазеры на основе органических соединений. Свой вклад в эти исследования вносит и НОЦ «Фотоника» ТГУ.

–Одно из направлений, в котором мы сейчас работаем, связано с исследованием фотоники органических молекул, – рассказывает заместитель руководителя НОЦ «Фотоника» Татьяна Николаевна Копылова. – Синтетическая химия сегодня создает огромное количество молекул с различными функциональными возможностями, и нас интересуют, прежде всего, те молекулы, которые способны излучать или поглощать свет и могут быть использованы при создании органических материалов для оптических технологий. Мы исследуем процессы дезактивации света в органической молекуле, устанавливаем закономерности связи свойств со строением молекул, прогнозируем молекулы с заданными свойствами и создаем на их основе органические оптические материалы для квантовой электроники.
Зародилось это направление благодаря В.И. Даниловой (ученицы профессора Н.А. Прилежаевой, основоположницы спектроскопии в Томске), которая впервые в молекулярной спектроскопии начала использовать квантово-химические методы исследования молекул. Сегодня этот подход продолжает развиваться в НОЦ «Фотоника» в лабораториях фотофизики и фотохимии молекул (заведующий – Г.В. Майер), лазерной физики (зав. – Т.Н. Копылова) и теоретической фотоники (зав. – В.Я. Артюхов).
– Успешное решение этой проблемы невозможно без разработки комплексного подхода к исследованию органических молекул, сочетающего теоретические (квантово-химические) и экспериментальные исследования. Комплексный подход позволяет более глубоко понять суть процессов, которые протекают в сложной органической молекуле. Ну а если ты понимаешь эту суть, то начинаешь также понимать, как целенаправленно создавать органические молекулы с заданными свойствами.

Все в одном флаконе
Чем же отличаются лазеры на основе органических соединений от других типов? Во-первых, органические молекулы в силу своего строения имеют широкие полосы поглощения и излучения, и на одном органическом соединении в пределах этой полосы можно получить целый «набор» лазеров. Одна и та же активная среда (источник излучения) позволяет создавать лазеры разных спектров, поэтому их и называют перестраиваемыми. Во-вторых, успехи в области синтеза молекул привели к тому, что появилось огромное количество молекул с самыми разными свойствами, это расширило возможности создания и применения лазеров.
Сам процесс выглядит так. В специальной жидкости растворяют органические молекулы, которые потом возбуждают светом (накачивают), например, лазером на парах металлов. В результате чего они сами начинают излучать свет.
Эти перестраиваемые лазеры очень перспективны для решения различных задач, например, для дистанционного зондирования атмосферы. Одночастотный лазер мог «увидеть» только дым или пыль. А использование перестраиваемого лазера позволяет обнаруживать химические примеси. В начале 90-х годов прошлого века Российским НИИ космического приборостроения была создана система лазерного зондирования на основе перестраиваемых лазеров на красителях и газовых лазеров для их накачки, разработанных в Томском государственном университете совместно с учеными Института сильноточной электроники СО РАН.

На твердой основе
Но лазеры на растворах не очень удобны в употреблении и достаточно громоздки. Поэтому сотрудники лаборатории сейчас занимаются созданием твердотельных активных сред, которые намного компактнее. И один из перспективных вариантов такого типа лазеров – пленочные лазеры, когда органические молекулы находятся в полимерных или гибридных пленках.
Параллельно лазерному направлению в отделе развивается еще одно – создание органических светодиодов. За рубежом они давно уже заполонили рынок, у нас же в России все находится пока на уровне исследований.
Органические светодиоды по сравнению с неорганическими имеют ряд преимуществ: возможность создавать однородно светящиеся поверхности большой площади и любой формы, в том числе и на гибких носителях, получать излучение с любой заданной длиной волны, либо с широким спектром. На их основе возможно получение белого света любых оттенков, что приведет к созданию источников света для применения в жилых помещениях.
– В штате Аризона, где нам удалось побывать на стажировке, мы видели большие светящиеся колонны, обтянутые полотнами, состоящими из огромного количества органических светодиодов (пикселей), для питания которых использовалось напряжение 4-7 вольт. У нас в России органические светодиоды пока не выпускаются. Мы уже четыре года занимаемся разработкой новых молекулярных композиций, которые были бы перспективны для создания органических светодиодов.

Сенсор на органике
В 2010 году завершилась работа по ориентированному междисциплинарному проекту, поддержанному РФФИ, по исследованию фундаментальных основ создания фотоактивных материалов и наноструктур с заданными функциональными свойствами. Такие материалы необходимы, например, для разработки оптических молекулярных сенсоров на основе органических соединений. В России (Центр фотохимии РАН) сейчас выполняется программа, в результате успешного завершения которой будут созданы оптические молекулярные сенсоры, которые найдут применение в экологии, химической промышленности, медицине. Например, проведенный с их использованием анализ воздуха, который выдыхает человек, позволит диагностировать болезни.
В ТГУ в рамках выполненного гранта РФФИ-офи-м организован коллектив, который может внести вклад в это направление: он работаем над созданием органических светодиодов, которые могут быть использованы как источники возбуждающего света оптических молекулярных сенсоров, также разрабатываемых здесь. А коллеги из НОЦ «Физика и электроника сложных полупроводников» (директор О.П. Толбанов) со своей стороны разработали чувствительные фотоприемники для регистрации изменений излучений сенсора при взаимодействии с примесями в воздухе. Тем самым может быть создан интегрированный молекулярный сенсор, но это требует дополнительных материальных затрат, поэтому грантовая деятельность в данном направлении будет продолжена.
Ученые НОЦ «Фотоника» сотрудничают с коллегами из многих организаций Томска и других городов – ИСЭ СО РАН, институтами Москвы, Одессы, Минска. Выполнять серьезные заказы, проводить современные исследования помогает хорошая спектроскопическая база, созданная за последние годы.
– Сейчас ученые университета имеют большие информационные возможности, открытость миру, современную приборную базу, все это позволяет проводить исследования на высоком уровне, – считает Т.Н. Копылова и добавляет, что основная проблема все-таки остается – недостаточное финансирование:
– Чтобы наша наука была на передовых рубежах, в нее должны быть серьезные вливания, потому что новые технологии и разработки не создашь без стартового капитала.

Наталья Шарапова