Увидеть невидимое
Как терагерцевый лазер поможет в медицине и экологии
Прибор, названный тералазером, позволяет генерировать терагерцевое излучение в широком диапазоне частот — от 2 до 5 ТГц — и может стать основой новых систем медицинской диагностики (обнаружение патологий кожи, анализ выдоха человека и т. д.), систем мониторинга экологической обстановки (контроль за газовыми и аэрозольными выбросами), а также сделать беспроводную передачу данных в 1000 раз быстрее. Изделие не имеет аналогов в России. Работы ведутся при поддержке федеральной программы «Научное приборостроение».
Опытный образец прибора «Тералазер МФАС.433784.001»
Фото: предоставелно МФТИ
Опытный образец прибора «Тералазер МФАС.433784.001»
Фото: предоставелно МФТИ
Специалисты МФТИ разработали новый, компактный и простой в использовании терагерцевый источник лазерного излучения, не требующий использования криогенных жидкостей. Устройство работает на основе квантово-каскадных лазеров, охлаждаемых криогенным рефрижератором Стирлинга. Тералазер будет востребован в газовой спектроскопии, а также может применяться для диагностики онкологических заболеваний.
Терагерцевый источник излучения — это устройство, генерирующее электромагнитные волны в диапазоне терагерцевого излучения, то есть в частотном диапазоне от 0,1 до 10 ТГц. Этот диапазон находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Созданный в МФТИ прибор способен генерировать длину волны от 60 до 150 мкм (от 2 до 5 ТГц). Характеристики делают его подходящим для использования в качестве лабораторного генератора терагерцевых пучков в разных сферах. Это может быть газовая спектроскопия, системы неразрушающего контроля, мониторинг качества композитных материалов, а также фундаментальные научные исследования, включая изучение межзвездных сред.
Устройство подходит для удаленного зондирования, поскольку позволяет определять минимальные концентрации веществ на уровне ppb (109) и ниже. Кроме того, его возможности охватывают область беспроводной связи, где оно способно увеличить скорость передачи данных до более чем 10 Гбит/с.
«Генерация терагерцевого излучения в приборе происходит за счет межподзонных переходов электронов в зоне проводимости лазерной гетероструктуры на основе полупроводников А3B5. В ходе разработки созданы оригинальные лазерные схемы и зонные дизайны лазерных гетероструктур. На разработанный зонный дизайн квантово-каскадного лазера подан патент на изобретение РФ. Охлаждение до рабочих температур осуществляет компактный рефрижератор Стирлинга. Это тип холодильной машины, работающей по так называемому циклу Стирлинга»,— рассказал заведующий лабораторией квантово-каскадных лазеров МФТИ Рустам Хабибуллин.
Что касается технических характеристик прибора: импульсная мощность — более 0,1 мВт, длительность импульсов — от 1 мкс, угловая расходимость пучка — до 30°. При этом масса прибора составляет всего 15 кг, а его габариты — только 303030 см, а значит, его легко использовать как в лаборатории, так и на производстве.
Аналогов тералазера в России нет. Западные аналоги уступают разработке МФТИ по габаритам и стоимости.
Рефрижератор Стирлинга с водяным охлаждением
Фото: предоставлено МФТИ
Рефрижератор Стирлинга с водяным охлаждением
Фото: предоставлено МФТИ
«Ключевыми конкурентными преимуществами нового тералазера являются его компактность, отсутствие необходимости в криогенных жидкостях и широкий диапазон рабочих частот. Устройство также включает встроенную квазиоптическую систему фокусировки, обеспечивающую направленный и симметричный терагерцевый пучок. При этом для управления терагерцевым источником оно использует российское программное обеспечение. Взаимодействовать с прибором можно через компьютер»,— рассказал инженер лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ Игорь Глинский.
В перспективе прибор может быть полезен в фармацевтических, медицинских и биологических исследованиях и особенно для диагностики онкологических заболеваний. Терагерцевые технологии позволяют точно определять границы опухолей и гематом благодаря восприимчивости к содержанию воды в тканях. На данном этапе на основе разработки можно создавать лазеры под конкретные нужды клиента с выбором частот — от 2 до 5 ТГц.
В МФТИ изготовлен опытный образец прибора, а также испытательный стенд для проверки его характеристик. По плану разработчиков устройство выйдет на рынок к 2029 году. В дальнейшем возможна доработка изделия для нужд других областей применения. В частности, это может быть сфера реставрации предметов искусства для проведения послойного анализа материала.
Материал подготовлен при поддержке МФТИ