Календарь дайджеста
22 мая 2026
Физики создали компактные волноводы нового типа для передачи терагерцового излучения с низкими потерями
Учёные создали компактные волноводы для доставки безопасного терагерцового излучения с низкими потерями к внутренним органам. При помощи такого излучения потенциально можно чётко различать здоровые ткани и злокачественные опухоли прямо во время операции. Кроме того, исследователи собрали действующий эндоскоп для изучения оптических свойств внутренних органов и тканей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
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. 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, когда в организм вводят длинный гибкий инструмент с камерой и другими приборами. Диаметр такого инструмента обычно всего 3–6 миллиметров, поэтому, чтобы использовать терагерцовое излучение для эндоскопии, учёные стремятся сделать волноводы для него как можно тоньше.
Учёные из Института физики твёрдого 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. Её получили методом Степанова, разработанным в Институте физики твёрдого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН в конце 1950-х годов.
В рамках этого подхода на молибденовый формообразователь тонким слоем наносят расплав сапфира, а затем вытягивают из него полый сапфировый стержень. Эта технология позволяет получать трубки малого диаметра с почти атомарно гладкой поверхностью и толщиной стенок около 0,3 миллиметра и более. Таким методом учёные вырастили трубку с внутренним диаметром порядка 6,15 миллиметров и толщиной стенки 0,7 миллиметра.
Уникальные свойства сапфира определяют преимущества волновода на его основе: сапфир почти не поглощает терагерцовое излучение, устойчив к химикатам, радиации, биологическим тканям и жидкостям, а также выдерживает нагрев 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 даёт внешним помехам влиять на сигнал. В таком волноводе минимальные потери излучения при распространении были почти вдвое меньше, чем в трубке, покрытой пластиком. Изготовленные устройства выдерживают температуры нагрева до 200 °C, что достаточно для медицинских приложений.
Рисунок 1. Сапфировый волновод с металлическим покрытием. Источник: материалы ВКР Александра Голикова.
Рисунок 2. Сапфировый волновод с полимерным покрытием. Источник: материалы ВКР Александра Голикова.
Рисунок 3. Сапфировая трубка после напыления слоя меди толщиной 600 нм. Источник: материалы ВКР Александра Голикова.
На основе волновода, покрытого медью, учёные собрали действующий эндоскоп длиной 5 сантиметров, который потенциально можно применить для обследования труднодоступных тканей (например, хрящей, зубов или опухолей) прямо во время операции.
Рисунок 5. Изготовленный ТГц-эндоскоп. Источник: Gleb M. Katyba et al. / Scientific Reports, 2026.
Кроме того, такие волноводы пригодятся и в других областях. В промышленности это приспособление будет полезно для оценки состояния труднодоступных полостей в деталях самолётов, ракетных двигателях и ядерных реакторах. В будущих системах связи 6G терагерцовые волноводы послужат компактными направляющими структурами для передачи данных на высоких частотах.
Рисунок 4. Руководитель проекта — Глеб Катыба. Источник: Глеб Катыба.
«Комбинация сапфировых трубок и тонких металлических покрытий – это отличное сочетание материалов в конструкции жёсткого 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 поможет 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», – поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Глеб Катыба, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории профилированных кристаллов Института физики твёрдого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН и Центра лазерной физики и фотоники Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН.
