Физики собрали компактные волноводы нового типа для передачи терагерцового излучения

Ученые из Москвы и Черноголовки создали компактные волноводы для доставки безопасного терагерцового излучения с низкими потерями к внутренним органам. При помощи такого излучения потенциально можно четко различать здоровые ткани и злокачественные опухоли прямо во время операции. Кроме того, исследователи собрали действующий эндоскоп для измерения оптических свойств внутренних органов и тканей.

Терагерцовое излучение — частота которого выше, чем у микроволнового, но ниже, чем у инфракрасного света — очень перспективно для использования в различных областях науки и техники. Оно проникает сквозь пластик, ткани и бумагу, однако сильно поглощается водой и при этом безопасно для живых организмов. Чувствительность к содержанию воды в живых тканях делает его потенциально применимым для диагностики злокачественных новообразований. А высокая частота терагерцового излучения (относительно радиодиапазона) позволяет использовать его в системах связи нового поколения с высокой пропускной способностью.

Однако сейчас такое излучение сложно использовать в практических целях из-за того, что существующие волноводы — каналы для передачи терагерцовых волн — недостаточно эффективны. Обычные полимерные волноводы либо слишком толстые в диаметре (больше 16 миллиметров) и не подходят для медицинских целей, либо портятся при стерилизации, так как не выдерживают температуру выше 150°C. Особенно эта проблема мешает в эндоскопии — медицинском анализе, когда в организм вводят длинный гибкий инструмент, несущий камеру и другие приборы, или проводящий свет внутрь тела через естественные отверстия (например через рот) или маленький разрез. Диаметр этого инструмента обычно всего 3–6 миллиметров, и поэтому, чтобы использовать терагерцовое излучение для эндоскопии, ученые стремятся сделать волноводы для него как можно тоньше.

Ученые 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) создали тонкий волновод на основе полой сапфировой трубки. Ее получили методом Степанова, разработанным в Институте физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН в конце 50-х годов прошлого столетия.

На молибденовый формообразователь тонким слоем наносят расплав сапфира, а затем вытягивают из него полый сапфировый стержень. Эта технология позволяет, в том числе, получать трубки малого диаметра с почти атомарно-гладкой поверхностью и толщиной стенок около 0,3 миллиметра и более. Таким методом ученые вырастили трубку с внутренним диаметром порядка 6,15 миллиметров и толщиной стенки 0,7 миллиметра, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Уникальные свойства сапфира определяют преимущества волновода на его основе: сапфир почти не поглошает терагерцовое излучение, устойчив к химикатам, радиации, биологическим тканям и жидкостям, а еще его можно нагревать почти до 2000°C. Это значит, что инструменты из этого материала легко обеззараживать для медицинских целей обычными способами — например, в автоклаве или кипятком.

Авторы сделали два варианта волноводов. В первом случае на сапфировую трубку нанесли пластиковую оболочку, которая частично отражает терагерцовые волны внутрь волновода, уменьшая их рассеивание вне трубки и, соответственно, потери при распространении. Во втором варианте ту же трубку покрыли тонким слоем меди, который полностью удерживает волну внутри волновода и не дает внешним помехам влиять на сигнал. В таком волноводе минимальные потери излучения при распространении были почти вдвое меньше, чем в трубке, покрытой пластиком. Также стоит отметить, что изготовленные устройства выдерживают температуры нагрева до 200°C, что достаточно для медицинских приложений.

На основе волновода, покрытого медью, ученые собрали действующий эндоскоп длиной 5 сантиметров, который потенциально возможно применять для обследования труднодоступных тканей (например, хрящей, зубов, или опухолей) прямо во время операции.

Кроме того, такие волноводы пригодятся и в других областях. В промышленности это приспособление будет полезно для оценки состояния труднодоступных полостей в деталях самолетов, ракетных двигателях и ядерных реакторах. В будущих системах связи 6G терагерцовые волноводы послужат компактными направляющими структурами для передачи данных на высоких частотах.

«Комбинация сапфировых трубок и тонких металлических покрытий — это отличное сочетание материалов в конструкции жесткого волновода: в таких устройствах теряется всего около 5 децибел излучения на метр, то есть в волноводе длиной 10 сантиметров потери составят всего лишь 10% излучения. Для сравнения: менее 5% излучения Wi-Fi сигнала на частоте 2,4 ГГц проходит через межкомнатную бетонную стену толщиной 15 сантиметров. А маленький диаметр полученных нами трубок позволит ускорить их внедрение в клиническую практику в виде реальных терагерцовых эндоскопов. В дальнейшем мы планируем измерить оптические свойства биотканей при помощи разработанных эндоскопов, а также испытать эти устройства в экспериментах с лабораторными животными», — рассказал руководитель проекта Глеб Катыба, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории профилированных кристаллов Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН и Центра лазерной физики и фотоники Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Scientific Reports.