Прибор, названный тералазером, позволяет генерировать терагерцовое 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»
Специалисты МФТИ разработали новый компактный и простой в использовании терагерцовый 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.
Терагерцовый источник излучения — это устройство, генерирующее электромагнитные волны в диапазоне терагерцового 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 терагерцовых пучков в разных сферах. Это может быть газовая спектроскопия, системы неразрушающего контроля, мониторинг качества композитных материалов, а также фундаментальные научные исследованиях, включая изучение межзвездных сред.
Устройство подходит для удаленного зондирования, поскольку позволяет определять минимальные концентрации веществ на уровне ppb (10−9) и ниже. Кроме того, его возможности охватывают область беспроводной связи, где он способен увеличить скорость передачи данных до более чем 10 Гбит/с.
Опытный образец прибора «Тералазер» МФАС.433784.001. Фото пресс-службы МФТИ.
«Генерация терагерцового излучения в приборе происходит за счет межподзонных переходов электронов в зоне проводимости лазерной гетероструктуры на основе полупроводников A3B5. 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 30×30×30 см, а значит, его легко использовать как в лаборатории, так и на производстве.
Рефрижератор Стирлинга с водяным охлаждением. Фото пресс-службы МФТИ.
На сегодняшний день аналогов тералазера в России нет. Западные аналоги уступают разработке МФТИ по габаритам и стоимости.
«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 терагерцовый пучок. При этом для управления терагерцовым 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. Терагерцовые 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.
