Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет Информационных Технологий, Механики и Оптики
НовостиУниверситет ИТМО
2018-12-26
Ольга Смолянская, руководитель лаборатории Фемтомедицины - о применении терагерцового излучения в медицине и биологии
  Ольга Смолянская, руководитель лаборатории Фемтомедицины Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО совместно с российскими и зарубежными коллегами выпустила крупный обзор современных работ о методах диагностики и визуализации на основе излучения терагерцового диапазона. Статья «Терагерцевая биофотоника, как инструмент для исследования диэлектрических и спектральных свойств биологических тканей и жидкостей» вышла в ноябрьском номере журнала Progress in Quantum Electronics № 62 (2018)
 
  Ольга Смолянская, доцент факультета Фотоники и оптоинформатики, рассказала о главных тенденциях в этой области.
  Расскажите, каков основной фокус работы?
  В опубликованном обзоре мы фокусируемся на диэлектрических свойствах биологических тканей, растворов и жидкостей в контексте терагерцовой биофотоники. Его цель – привлечь внимание сообщества квантовой электроники к важности разработки диэлектрических моделей водосодержащих сред в диапазоне терагерцовых частот. Кроме того, мы попытались определить основные тенденции использования терагерцового излучения в биологических и медицинских исследованиях, где вода является основным объектом.
  Мы рассматривали воду, потому что она играет ключевую роль в формировании и стабилизации биосистем, является универсальным маркером их состояния и функционирования. Именно диэлектрические свойства воды составляют основу диагностических методов, поэтому мы начали наш обзор с анализа физических моделей, описывающих сложную диэлектрическую проницаемость жидкой воды и водосодержащих сред в диапазоне терагерцовых частот.
В статье мы обсуждаем современные приборы и методы ТГц-спектроскопии и визуализации, которые широко применяются в ТГц-биофотонике. Такие разработки позволяют визуализировать компоненты тканей: клетки, микрофибриллы и даже клеточные органеллы. Мы также собрали информацию о современных технологиях доставки терагерцового излучения в труднодоступные ткани и внутренние органы и рассмотрели новые методы анализа терагерцовых спектров, основанные на машинном обучении, распознавании образов, химической визуализации и выявлении пространственного распределения различных веществ в ткани.
  Почему, несмотря на высокое поглощение в тканях, терагерцовое излучение интересно для применений в биологических объектах и какими эти применения могут быть?
  Молекулу воды можно рассматривать как универсальный маркер терагерцового диапазона частот, поэтому терагерцовое излучение чувствительно к различным процессам, происходящим в живых тканях и клетках. Высокая чувствительность терагерцовых волн к содержанию воды и ее состоянию в тканях позволяет применять технологии на основе этого излучения в диагностике злокачественных новообразований, уделяя особое внимание контрасту изображения, наблюдаемого между здоровыми и патологическими тканями.

Офтальмология. Источник: ponervu.ru
 
  В статье мы также рассматриваем недавние применения терагерцовой отражательной спектроскопии для измерения слезной пленки роговицы глаза человека при заболеваниях «сухого глаза». Результаты этих исследований показывают потенциал подобных технологий для офтальмологии. Другими медицинскими применениями терагерцового излучения могут быть диагностика ожоговых ран и патологических изменений крови или кожи пациентов с диабетическими осложнениями, а также ряд других заболеваний.
  В чем преимущества таких методов по сравнению с аналогами?
  Другие современные диагностические методы не могут определить, является ли определенное новообразование опухолью, и если да, то доброкачественная она или злокачественная. Они имеют ограниченные возможности оценки начального размера патологического развития ткани и диагностики процесса заживления. Такие приборы могут быть даже опасны из-за вредного для здоровья ионизирующего излучения.
  Есть ли у применения терагерцового излучения в биообъектах какие-либо риски?
  Основной риск таких методов ассоциируется с теплом, поэтому в обзоре представлена тепловая модель взаимодействия терагерцового излучения с тканями. Результат численного моделирования показывает, что облучение тканей со средней мощностью 100 мкВт, 10 мВт, 100 мВт и 300 мВт может вызвать нагрев объекта на 0,004, 0,43, 4,32 и 12,95 градусов соответственно. Таким образом, повышение температуры ткани заметно, когда мощность достигает нескольких милливатт. Однако мощность выходного излучения ТГц-спектроскопии и связанных с ней методов диагностики и визуализации не превышает несколько милливатт, поэтому тепловых или нелинейных эффектов в исследуемом объекте не ожидается.

Терагерцовый лазер. Источник: psi.ch
 
  Другим ограничением подобных методов считается сильное поглощение ТГц-волн молекулами воды. Оно не позволяет волнам проникать в гидратированные ткани и вызывать терагерцовый отклик. Но эти эффекты можно обойти. Например, в статье мы рассказали о новых подходах на основе замораживания тканей «ex vivo», а также об оптическом просветлении тканей с помощью специальных жидких агентов.
  Как появилась идея такой работы и сколько заняла ее реализация?
  Идея появилась примерно полтора года назад. Мы выиграли российский грант РФФИ (КОМФИ), который объединил коллективы четырех терагерцовых лабораторий из разных городов России, среди которых Москва (МГУ), Томск (ТГУ), Санкт-Петербург (Университет ИТМО) и Нижний Новгород (ИФМ РАН). Руководителем проекта стал профессор Александр Павлович Шкуринов. Суть всего проекта заключается в исследовании биологических тканей, жидкостей и выдыхаемого воздуха на признаки социально-значимых заболеваний в терагерцовом диапазоне частот.
  Я предложила написать совместную обзорную статью, а Александр Павлович поддержал мою инициативу и пригласил в эту работу иностранных коллег из Франции, Южной Кореи, Израиля и Австралии. Один из соавторов, профессор Валерий Викторович Тучин, получил письмо-поддержку от очень известного журнала Progress in Quantum Electronics.
  В начале 2018 года РФФИ объявил конкурс совместных проектов Россия-Франция и мы переключились с нашими французскими соавторами на написание этой конкурсной заявки. В результате мы выиграли несколько проектов, в том числе я выиграла грант совместно с лабораторией IMS Университета Бордо. В мае я провела две недели в этой лаборатории, занимаясь и этой статьей, и научными исследованиями. 3 июля профессор Шкуринов собрал нас в Париже на совместную российско-французскую встречу, где мы обсуждали нашу статью и научные задачи по выигранным грантам. Поэтому можно сказать, что написание статьи было очень захватывающим и при этом последовательным процессом, в центре которого мне было крайне интересно находиться.

  Редакция ITMO.NEWS, Центр научной коммуникации, Анастасия Комарова.
 
2018-12-25
Поздравляем Дмитрия Вавулина, Михаила Князева, Варвару Семёнову, Святослава Гусева!!!
  
  В декабре 2018 г. Дмитрий Вавулин, Михаил Князев, Варвара Семёнова и Святослав Гусев, выпускники кафедры Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО 2014 года, успешно защитили кандидатские диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук.
  Тема диссертации Дмитрия Вавулина: «Генерация и распространение перепутанных фотонов в волоконных линиях связи». Научный руководитель - д.ф.-м.н., гл. научный сотрудник, Сухоруков Андрей Анатольевич.
  Необходимо подчеркнуть, что диссертационная работа Дмитрия Вавулина сделана на основе научных исследований, результаты которых представляют существенное значения для развития квантовой оптики, и отражены в шести статьях, входящих в перечень ВАК.
  Тема диссертации Михаила Князева «Взаимодействие неколлинеарных волн из малого числа оптических колебаний в нелинейных диэлектрических средах». Научный руководитель - д.ф.-м.н., вед. профессор, Козлов Сергей Аркадьевич.
  Михаил в ходе работы над диссертацией создал и запатентовал программу расчёта изменения пространственно-временных спектров излучения при взаимодействии интенсивных волн со сверхширокими спектрами. Эта программа будет использоваться в дальнейших фундаментальных исследованиях в данной области нелинейной оптики.
  Тема диссертации Варвары Семёновой «Пространственно-временная динамика распространения терагерцовых бессель-гауссовых и вихревых пучков сверхкороткой длительности». Научный руководитель - к.ф.-м.н. Н.В.Петров.
  Тема диссертации СвятославаГусева «Исследование взаимодействия терагерцевого излучения с компонентами крови в задачах диагностики сахарного диабета». Научный руководитель - к.ф.-м.н. М.К.Ходзицкий
  Желаем Дмитрию, Михаилу, Святославу и Варваре новых научных достижений и открытий!
2018-11-29
Физики Международного института Фотоники и оптоинформатики исследовали возникновение терагерцового излучения в жидкостях

Антон Цыпкин, к.ф.-м.н., руководитель лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий
 
  Группа ученых из Университета ИТМО и Университета Рочестера, США исследовала, как возникает терагерцовое излучение в жидкости. Раньше возникновение такого излучения в жидкой среде считалось невозможным из-за высокого поглощения. Однако в новой работе ученые описали физическую природу этого явления и показали, что жидкостные источники излучения могут быть не менее эффективны, чем традиционные. Результаты опубликованы в журнале Applied Physics Letters, Nov. 1, 2018. Причём, редакция журнала определила эту статью, как одну из лучших в журнале, и решила продвигать ее, как - избранную (статья отображается на главной странице журнала).
  Терагерцовое электромагнитное излучение хорошо проходит через множество материалов, кроме металлов и воды. Его широко используют в устройствах систем безопасности при поиске запрещенных препаратов и оружия, а также в биомедицинских исследованиях. Благодаря широкой сфере применения, большинство современных научных работ в области терагерцового излучения направлено на поиск новых, более стабильных, мощных и эффективных источников.
  Сейчас самыми распространенными источниками терагерцового излучения служат твердотельные материалы. Кроме того, существуют источники на основе лазерной фемтосекундной филаментации в воздухе и газах. При этом мощный лазерный пучок создает в газовой среде плазму, где происходит ионизация среды, а свободные электроны генерируют электромагнитное терагерцовое излучение. Раньше считалось, что сделать то же самое в жидкой среде нельзя из-за высокого поглощения. Но международная группа исследователей из Университета ИТМО и Университета Рочестера показала, что это не так. В новой работе ученые выяснили, что жидкость даже обладает рядом преимуществ перед другими источниками, например, газами.
  «До тех пор пока наш коллега Кси-Ченг Жанг не обнаружил терагерцовое излучение в жидкости, считалось, что это невозможно. Но мы показали, что по эффективности жидкостные источники могут приблизиться к твердотельным, которые сейчас считаются эталоном. Только жидкость при этом гораздо проще получить, чем кристалл. Кроме того, она выдерживает большую энергию накачки, что дает возможность получить более высокую энергию на выходе», – объясняет Антон Цыпкин, руководитель руководитель лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.
  Обычно излучение генерируется из-за выделения свободных возбужденных электронов при филаментации. Чем больше электронов удастся возбудить или ионизировать, тем сильнее будет терагерцовое излучение на выходе. Количество возбужденных электронов одной молекулы зависит от энергии ионизации: то есть энергии, потраченной на возбуждение или “накачку” среды. Разница необходимых энергий ионизации накачки в газе и жидкости невелика. Но при этом плотность молекул в жидкости гораздо выше, чем в газе. За счет этого сопоставимая энергия накачки позволяет возбудить гораздо больше электронов и сделать излучение сильней.

Оборудование для генерации терагерцового излучения в жидкости.

  В этой работе ученые исследовали, как направлено терагерцовое излучение, получаемое в жидкости. Чтобы исключить ошибки в данных, эксперименты проводились параллельно в двух университетах. Затем ученые сверяли независимо полученные результаты и вместе работали над теоретической моделью, чтобы их объяснить. В итоге им удалось составить и физически обосновать диаграммы направленности терагерцового излучения в жидкости, а также зависимость направления от угла, под которым жидкость сталкивается с излучением накачки. Эти результаты ученые планируют использовать в дальнейшей работе.
  «Существенным минусом жидкости остается большое поглощение. Однако мы планируем решить эту проблему, оптимизировав тип жидкости, форму струи, мощность излучения накачки и ряд других параметров. Мы хотим провести эксперименты, чтобы найти оптимальные параметры генерации излучения в разных жидкостях и разработать на основе этих данных теоретическую модель. Ее можно использовать при создании прототипа устройства, которое позволит получать разное терагерцовое излучение из жидкостей», – рассказывает Кси-Ченг Жанг, соруководитель Международного института «Фотоники и оптоинформатики» Университета ИТМО, профессор Университета Рочестера (США).

Процесс филаментации и возникновения терагерцового излучения в жидкости.

Статья: Terahertz wave generation from liquid water films via laser-induced breakdown. Yiwen E, Qi Jin, Anton Tcypkin, and X.-C. Zhang. Appl. Phys. Lett. Nov. 1, 2018.

Редакция ITMO.NEWS, Центр научных коммуникаций, Анастасия Комарова.
 
2018-11-27
День открытых дверей факультета Фотоники и оптоинформатики!
  Уважаемые абитуриенты и родители, приглашаем вас на День открытых дверей факультета Фотоники и оптоинформатики.
  День открытых дверей факультета Фотоники и оптоинформатики состоится 7 декабря и будет проходить с 17-00 до 19-00 по адресу: В.О., Кадетская линия д.3, к.2.
  Сбор участников в 16-45
  На Дне открытых дверей вы узнаете, что такое:
«Оптические и квантовые технологии в коммуникациях».
«Фемтотехнологии фотоники и оптоинформатики».
«Биофизика».
  А также получите актуальную информацию о том, как поступить в Университет ИТМО на образовательные программы направления «Фотоника и оптоинформатика».

Подробная информация и регистрация на мероприятие 
 
Контакты
Андреева Наталья Владимировна: +7-911-975-58-48
2018-11-26
Мария Жукова - дипломант «XVI Всероссийского молодежного Самарского конкурса-конференции научных работ по оптике и лазерной физике».
 Мария Жукова, аспирант факультета Фотоники и оптоинформатики» Университета ИТМО, завоевала диплом «XVI Всероссийского молодежного Самарского конкурса-конференции научных работ по оптике и лазерной физике».
 С 13 по17 ноября в Самарском филиале Физического института имени П. Н. Лебедева РАН проходил ежегодный «Всероссийский молодежный конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике». Конференция объединяет ведущих ученых, аспирантов и студентов, занимающихся фундаментальными и прикладными исследованиями по оптике, лазерной физике, нанотехнологиям и смежным вопросам. Целью конкурса–конференции является выявление и поощрение творческой активности талантливых молодых исследователей, содействие профессиональному росту молодежи, повышение престижа естественнонаучного и технического образования.
  Университет ИТМО на конференции представляла Мария Жукова, лауреат стипендии Президента РФ на 2018/2019 уч. год, аспирант факультета Фотоники и оптоинформатики. Мария имеет уже достаточно большой опыт научной деятельности и представления результатов своих исследований на различных конференциях, в том числе - международных. Свои первые серьёзные исследования она начала проводить в лаборатории «Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий» еще, будучи студенткой бакалавриата. Сейчас Мария – полноправный сотрудник этой лаборатории. На конференции она выступила с устным докладом «Исследование возможности применения интеркалированного хлоридом железа (III) малослойного графена в терагерцовой спектроскопии с разрешением во времени». Этот доклад сделан на основе результатов работы, проводимой в международной лаборатории «Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий» Университета ИТМО совместно с The University of Exeter (Эксетерским университетом, Англия) Надо отметить, что на мировой арене «Эксетер» входит в топ-100 университетов, занимая 93-её место по версии «The Times World University Ranking».
  В докладе были представлены результаты исследования интеркалированного хлоридом железа малослойного графена в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах частот. Были приведены расчеты, и оценка возможности его применения в терагерцовой спектроскопии с разрешением во времени. Данное исследование является актуальным для данной области науки и техники, так как позволяет решить проблему нехватки эффективных и компактных устройств для преобразования терагерцового излучения.
  По решению экспертной комиссии конференции работа Мария Жукова была отмечена Дипломом за интересный доклад.
 
Официальный сайт конференции
   1    2    3    4    5    Следующая
Design by Anton Alfimov         Powered by MagicTeam