Ученые разработали компактные волноводы, эффективно доставляющие безопасное терагерцовое излучение к внутренним органам с минимальными потерями. Это излучение позволяет четко отличать здоровые ткани от злокачественных опухолей прямо во время хирургических вмешательств. Дополнительно исследователи собрали рабочий эндоскоп для измерения оптических характеристик органов и тканей внутри тела. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
Уникальные возможности терагерцового диапазона
Терагерцовое излучение, занимающее частотную нишу между микроволнами и инфракрасным светом, открывает широкие перспективы в науке и технике. Оно свободно проходит сквозь пластик, ткани и бумагу, но активно поглощается водой, оставаясь при этом безопасным для живых организмов. Чувствительность к содержанию воды в биологических тканях делает его перспективным инструментом для диагностики рака. Высокая частота терагерцовых волн (по сравнению с радиочастотным диапазоном) также обещает революцию в системах связи нового поколения, обеспечивая огромную пропускную способность.
Преодоление ограничений существующих технологий
Однако практическое применение терагерцового излучения пока затруднено из-за недостаточной эффективности доступных волноводов — каналов для передачи этих волн. Стандартные полимерные волноводы либо слишком велики в диаметре (свыше 16 миллиметров), что неприемлемо для медицины, либо разрушаются при стерилизации, так как не выдерживают температуры выше 150 градусов Цельсия. Эта проблема особенно актуальна для эндоскопии — метода исследования, при котором в тело через естественные отверстия (например, рот) или небольшой разрез вводят длинный гибкий инструмент с камерой или световодом. Диаметр такого инструмента обычно всего 3-6 миллиметров, что требует создания предельно тонких терагерцовых волноводов.
Прорывное решение: сапфировые волноводы
Команда ученых из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН (Черноголовка), Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) и Московского центра передовых исследований (Москва) предложила инновационное решение — тонкий волновод на основе полой сапфировой трубки. Для ее изготовления был использован метод Степанова, разработанный в Институте физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН еще в конце 1950-х годов.
Технология изготовления и преимущества
По этой технологии расплав сапфира наносится тонким слоем на молибденовый формообразователь, из которого затем вытягивается полый сапфировый стержень. Данный процесс позволяет создавать трубки малого диаметра с исключительно гладкой поверхностью (близкой к атомарной) и толщиной стенок от 0,3 миллиметра. В рамках исследования ученые вырастили трубку с внутренним диаметром около 6,15 миллиметров и толщиной стенки 0,7 миллиметра, открывая путь к созданию эффективных медицинских эндоскопов нового поколения.
Особенности сапфира создают настоящий успех для волноводов на его основе! Этот удивительный материал почти не поглощает терагерцовое излучение, устойчив к химическим веществам, радиации, биологическим тканям и жидкостям. Его можно нагревать почти до двух тысяч градусов Цельсия! Это означает простоту дезинфекции инструментов для медицинских нужд привычными методами — например, обработкой в автоклаве или кипящей водой.
Два типа инновационных волноводов
Ученые разработали две версии волноводов. Первый тип: сапфировая трубка с пластиковым покрытием. Это покрытие частично отражает терагерцовые волны внутрь трубки, сокращая их рассеивание наружу и, как следствие, распространение потерь сигнала. Во втором типе ту же сапфировую основу покрыли тонким слоем меди. Медное покрытие великолепно удерживает волну внутри и защищает сигнал от внешних искажений. Потери излучения в таком эффективном волноводе оказались примерно вдвое меньше, чем у пластикового аналога. Важное преимущество: готовые образцы успешно выдерживают нагрев до двухсот градусов Цельсия, что более чем достаточно для применения в медицине!
Терагерцовый эндоскоп: будущее в действии
Используя сапфировый волновод с медным покрытием, ученые создали работающий прототип эндоскопа длиной 5 сантиметров! Такое устройство открывает заманчивые перспективы для обследования труднодоступных тканей (допустим, хрящей, зубов или зон с новообразованиями) прямо в процессе хирургической операции.
Обширные возможности применения
Эти удивительные волноводы применимы во многих сферах! В промышленности они станут ценным помощником для проверки труднодоступных полостей в деталях авиационных двигателей, космической техники и ядерных установок. Технология связи нового поколения 6G тоже выиграет: терагерцовые волноводы станут превосходными компактными направляющими для передачи данных на сверхвысоких частотах.
Слово руководителю проекта
"Сочетание сапфировых трубок и тонких металлических покрытий — это фантастически удачное решение для твердых волноводов, — поясняет успешный руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Глеб Катыба, к.ф.-м.н., ст.н.с. лаборатории профилированных кристаллов Института физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН и Центра лазерной физики и фотоники ИОФ им. А.М. Прохорова РАН. — В подобных устройствах потери излучения невероятно малы: всего лишь около пяти децибел на метр. А значит, в десятисантиметровом волноводе будет теряться лишь десять процентов излучения! Для сравнения: стандартная межкомнатная бетонная стена толщиной пятнадцать сантиметров пропускает меньше пяти процентов сигнала Wi-Fi на 2,4 ГГц. Миниатюрный диаметр наших изделий ускорит их путь в клиническую практику как самых настоящих терагерцовых эндоскопов. Наша команда планирует использовать эти разработки для измерения оптических свойств биологических тканей и дальнейшего испытания эндоскопов на лабораторных моделях".
Физики создали компактные волноводы нового типа для передачи терагерцового излучения с низкими потерями
Прорыв в передаче терагерцовых волн: компактные решения с минимальными потерями
Ученые достигли значительного успеха в разработке волноводов для терагерцового диапазона! Их новая компактная конструкция открывает впечатляющие перспективы для эффективной передачи этого ценного излучения с минимальным затуханием сигнала.
Терагерцовое излучение, занимающее диапазон между инфракрасным светом и микроволнами, обладает уникальными свойствами. Оно способно проникать сквозь многие материалы, не вызывая ионизации, что делает его исключительно перспективным для медицинской диагностики, систем безопасности и сверхскоростной связи. Однако долгое время эффективная передача терагерцовых волн на расстояние оставалась сложной инженерной задачей из-за высоких потерь энергии в традиционных волноводах.
Перспективные применения новой технологии
Новые волноводы, созданные исследователями, кардинально меняют ситуацию. Их инновационная структура позволяет направлять терагерцовое излучение с удивительно низкими потерями мощности. Это ключевое преимущество! Компактность этих устройств дополнительно расширяет возможности их практического внедрения в различные системы.
Разработка таких эффективных и миниатюрных волноводов — важный шаг вперед. Она приближает реальное использование терагерцовых технологий в повседневных приложениях. Ожидается, что эта технология даст мощный импульс развитию новых методов неразрушающего контроля, систем безопасности следующего поколения и каналов связи с невероятно высокой пропускной способностью. Будущее терагерцовых технологий выглядит очень ярко!
Источник: indicator.ru
