КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 17-79-20346

НазваниеМетоды формирования мультиспектральных терагерцовых изображений объекта с суб-волновым разрешением для медицинской диагностики злокачественных новообразований

РуководительЗайцев Кирилл Игоревич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2020 - 06.2022

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые словаТерагерцовые технологии; терагерцовая спектроскопия; терагерцовые изображающие системы; неинвазивная, малоинвазивная и интраоперационная диагностика злокачественных новообразований.

Код ГРНТИ29.03.31, 76.29.49

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Методы ТГц спектроскопии и визуализации привлекают все больший интерес в решении задач диагностики новообразований различной нозологии и локализации на основе эндогенных (естественных) признаков. Несмотря на перспективность отмеченного приложения ТГц техники проблема низкого пространственного разрешения стандартных дифракционно ограниченных линзовых, зеркальных и зеркально-линзовых ТГц оптических систем в значительной степени сдерживает внедрение ТГц техники в клиническую практику. К примеру, большой размер функции рассеяния таких систем (>λ, где λ – длина волны излучения в свободном пространстве) затрудняет исследования малоразмерных новообразований, а также точность детектирования границ опухоли с помощью ТГц излучения. При выполнении проекта РНФ 2017–2020 предложены новые методы ТГц микроскопии суб-волнового разрешения: ТГц микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии (разрешение – до 0.15λ); жгуты сапфировых оптических волокон для ТГц визуализации (разрешение – до 0.3–0.55λ); ТГц сканирующая зондовая ближнепольная микроскопия на базе гибкого сапфирового волокна (разрешение – до 0.25λ). Эти методы преодолевают дифракционный предел Аббе для фокусировки излучения в свободном пространстве. В проекте показана перспективность их применения в различных областях науки и техники, включая медицинскую диагностику новообразований и регенеративную медицину. В то же время анализ результатов проекта позволил сформулировать ряд новых актуальных задач, требующих решения для расширения возможностей практического применения новых методов. Таким образом, дальнейшее развитие новых методов ТГц микроскопии остается весьма актуальной проблемой современной прикладной физики, инженерных наук, ТГц науки и техники. Именно поэтому целью проекта РНФ 2020–2022 является разработка методов формирования мультиспектральных ТГц изображений биологических тканей с пространственным разрешением за дифракционным пределом Аббе для медицинской диагностики новообразований различной нозологии и локализации. Для достижения сформулированной цели при выполнении проекта будет решен комплекс новых научно-технических задач: – разработка метода решения обратной задачи ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии – восстановления оптических свойств и связанных с ними физико-химических характеристик объекта; – разработка методов дифференциации тканей в норме и при патологии при помощи физически-обоснованных признаков, извлекаемых из сигналов ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии; – поиск новых схем построения ТГц микроскопа на основе эффекта твердотельной иммерсии с повышенными техническими характеристиками: использование новых материалов ближнефокусной линзы, совмещение эндоскопических принципов измерений с эффектом твердотельной иммерсии, использование ближнефокусной линзы Вейерштрасса; – разработка жгутов сапфировых волокон для захвата ТГц поля ближней зоны, его масштабирования (в 2–3 раза) и последующей визуализации с использованием дифракционно ограниченной ТГц оптической системы; период укладки волокон в сечении таких жгутов будет увеличиваться по мере удаления от плоскости объекта; – разработка методов восстановления и обработки ТГц изображений, полученных с помощью жгутов сапфировых оптических волокон, включая борьбу с эффектами неоднородного пропускания жгута по апертуре и пикселизации изображения; – реализация новых схем построения ТГц сканирующей зондовой ближнепольной микроскопии на базе гибкого сапфирового волокна; – теоретические и экспериментальные исследования влияния сапфирового волокна (ближнепольного зонда) на регистрируемое им ТГц поле ближней зоны; – апробация новых методов ТГц микроскопии на биологических тканях различной природы; оценка перспективности их применения в различных областях науки и техники. Решение перечисленных проблем расширит возможности новых методов ТГц микроскопии, позволяя перейти от исследования эффективных оптических характеристик тканей, усредненных в пределах функции рассеяния оптической системы площадью >λ^2, к анализу гетерогенной структуры тканей в масштабах длины волны ТГц излучения. Это повысит информативность ТГц изображений и позволит изучать ТГц диэлектрический отклик отдельных структурных элементов тканей. Исследования биологических тканей будут проводиться в сотрудничестве с медицинскими коллегами из Сеченовского университета и НМИЦ Нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко. Отдельная научная группа имеет необходимый опыт научных исследований, а также все необходимые вычислительные и экспериментальные ресурсы для успешной реализации проекта. Его результаты будут опубликованы в высокорейтинговых научных журналах в рассматриваемой области знаний, представлены на ведущих международных научных конференциях, а также найдут свое отражение в квалификационных работах молодых членов отдельной научной группы.

Ожидаемые результаты
При выполнении проекта будут получены важные научные результаты по трем направлениям исследований: Направление I – ТГц микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии; Направление II – Жгуты сапфировых оптических волокон для ТГц визуализации с суб-волновым пространственным разрешением; Направление III – ТГц сканирующая зондовая микроскопия на базе гибкого сапфирового волокна. Опишем ожидаемые результаты выполнения проекта по трем перечисленным направлениям, а также их научную и общественную значимость. НАПРАВЛЕНИЕ I – ТГЦ МИКРОСКОПИЯ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ИММЕРСИИ I.1) Новый метод решения обратной задачи ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии, направленный на восстановление оптических свойств и связанных с ними физико-химических характеристик объекта Ранее отдельной научной группой разработан метод ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии, обеспечивающий суб-волновое пространственное разрешение (до 0.15λ) и адаптированный для визуализации мягких биологических тканей (см. слайды 6–8 графического приложения к заявке) [1–3]. Этот метод применялся для визуализации различных биологических тканей, что позволило показать перспективность его использования в диагностике новообразований и регенеративной медицине (см. слайды 9,10 графического приложения к заявке) [4,5]. В то же время, полученные ТГц изображения достаточно трудно интерпретировать. Действительно, они несут информацию об интенсивности ТГц поля, рассеянного на границе раздела «кремний–образец» в обратном направлении, и не могут использоваться для оценки ТГц оптических свойств наблюдаемых структурных элементов тканей. Именно поэтому в проекте РНФ 2020–2022 будет разработан новый метод решения обратной задачи ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии – метод оценки оптических свойств и связанных с ними физико-химических характеристик объекта. Данный метод будет построен на базе математической модели взаимодействия ТГц излучения с границей раздела «кремний–образец», предложенного научной группой в 2020 году. Эта модель описывает коэффициент отражения излучения от границы раздела с учетом широкой апертуры пучка, учитывая вклад как проходящего пучка (его прохождение через границу раздела описывается простыми формулами Френеля), так и пучка полного внутреннего отражения за счет интегрирования по апертуре (см. слайды 11–12 графического приложения к заявке). Научной группой проведены пилотные исследования по данному направлению, демонстрирующие возможность оценки оптических свойств тканей на основе данных ТГц микроскопии (см. слайд 13 графического приложения к заявке). Используя изображение границы радела «кремний–вода» в качестве опорного сигнала, удалось восстановить пространственное распределение показателя преломления на частоте 0.6 ТГц для фрагмента свежеиссеченного мозга крысы ex vivo. Восстановление оптических свойств тканей осуществлялось путем глобальной минимизации функционала ошибки – невязки между наблюдаемыми экспериментальными данными и моделью. Полученные данные о показателе преломления тканей в полной мере согласуются с результатами ТГц диэлектрической спектроскопии тканей мозга ex vivo [5–7], однако предстоит проделать еще много работы перед использованием данного метода на практике, включая: – оценку точности восстановления оптических свойств объекта; – исследование устойчивости решения обратной задачи; – апробацию метода на тестовых объектах с априорно известными оптическими свойствами и биологических тканях в нормальном состоянии и при наличии патологии. Отмеченные проблемы будут решены в проекте РНФ 2020–2022. Знание оптических свойствах объекта в ТГц диапазоне позволит оценить его физико-химические характеристики. Например, благодаря высокой чувствительности ТГц излучения к содержанию и состоянию (свободная или связанная) воды в тканях [4,5], эти характеристики могут быть оценены на основе сигналов ТГц микроскопии, что крайне важно для методов ТГц медицинской диагностики. Таким образом, разработка метода решения обратной задачи выведет ТГц микроскопию на основе эффекта твердотельной иммерсии на качественно новый уровень. Отметим, что это будет первая экспериментальная реализация подобного метода решения обратной задачи микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии не только в ТГц диапазоне, но и в других областях шкалы электромагнитных волн, где данный вид микроскопии используется для решения самых разных задач [8–17]. I.2) Методы дифференциации тканей в норме и при патологии на основе физически-обоснованных признаков, извлекаемых из сигналов ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии Полученные ранее результаты ТГц микроскопии новообразований различной нозологии и локализации позволили продемонстрировать наличие контраста между интактными тканями и опухолью на ТГц изображениях, а также выявить гетерогенный характер тканей в масштабах длины волны ТГц излучения (см. слайды 9,10 графического приложения к заявке) [2,3]. Тем не менее на основе данных нового метода ТГц микроскопии по-прежнему сложно провести границу между тканями в нормальном состоянии и при наличии патологии. Для этого требуется разработка методов дифференциации тканей, построенных на физически обоснованных признаках, учитывающих оптические свойства тканей, их гетерогенность и использующих современные методы статистического анализа [18–20]. Детектирование границ новообразований различной нозологии и локализации может потребовать специфических подходов к ТГц дифференциации тканей. Именно поэтому в проекте РНФ 2020–2022 отдельной научной группой планируется разработать новые методы дифференциации тканей с использованием данных ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии. Внимание будет уделено новообразованиям мозга, кожи и молочной железы, что связано с областью научных и клинических интересов медицинских коллабораторов отдельной научной группы. Методы дифференциации тканей с помощью нового вида ТГц микроскопии будут разработаны впервые. Они позволят приблизить ТГц микроскопию к решению прикладных клинических проблем онкодиагностики. I.3) Результаты исследований новых схем построения ТГц микроскопа на основе эффекта твердотельной иммерсии с повышенными техническими характеристиками: – использование новых материалов ближнефокусной линзы, – совмещение эндоскопических принципов измерений с эффектом твердотельной иммерсии, – использование ближнефокусной линзы Вейерштрассе Наряду с расширением возможностей оригинальной оптической схемы ТГц микроскопа на основе эффекта твердотельной иммерсии, предложенной еще в проекте РНФ 2017–2020, в предлагаемом проекте будут рассмотрены новые перспективные схемы построения рассматриваемого вида ТГц микроскопии (см. слайд 14 графического приложения к заявке). Во-первых, планируется оценить возможность создания ближнефокусной полусферы из нового материала, имеющего более высокий показатель преломления по сравнению с высокорезистивным кремнием (High-Resistivity Float-Zone Silicon – HRFZ-Si). Подобные среды практически отсутствуют среди распространенных естественных ТГц оптических материалов [21,22]. Поэтому предлагается оценить возможность разработки нового материала для изготовления ближнефокусной полусферы из композиционной среды, сформированной на базе опаловой матрицы из глобул аморфного SiO2 [23–25] и наполненной золотыми наночастицами [27,28]. В таком материале (при отсутствии перколяционной проводимости) должны наблюдаться плазмонные резонансы в видимом диапазоне. Эти резонансы приведут к росту показателя преломления материала в низкочастотной области спектра, включая ТГц диапазон, что может быть описано соотношениями Крамерса-Кронига [29]. Во-вторых, планируется оценить возможность совмещения принципов ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии с методами эндоскопических измерений. Будет рассмотрена оригинальная схема 1D сканирования, использующая неподвижный полый волновод антирезонансного типа (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide – ARROW) и подвижную сапфировую ближнефокусную линзу в форме половины параболоида вращения. В такой схеме локальная каустика электромагнитного пучка будет формироваться в фокусе параболоида вращения. Эта каустика может перемещаться относительно неподвижного волновода за счет механического перемещения в нем ближнефокусной линзы. Сапфировый волновод может быть получен по методу роста профилированных кристаллов сапфира (Edge-defined Film-fed Growth – EFG) [30–32], а параболическая линза – из объемного кристалла путем механической обработки. В-третьих, планируется оценить возможность применения ближнефокусной линзы – линзы Вейерштрассе [33] – для реализации эффекта твердотельной иммерсии в ТГц диапазоне. Подобная линза, изготовленная из HRFZ-Si, может обеспечить еще большее разрешение по сравнению с традиционной полусферой. Несмотря на то, что данный тип ближнефокусной линзы меньше применяется в других спектральных диапазонах из-за значительной хроматической аберраций, в ТГц диапазоне эта проблема может быть решена благодаря пренебрежимо малой дисперсии оптических характеристик HRFZ-Si. При выполнении проекта РНФ 2020–2022 будет проведено численное моделирование, направленное на исследование возможности реализации перечисленных схем построения ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии, а также на исследование достижимых технических характеристик данных схем. Более того, будут предприняты попытки их экспериментальной реализации. Новые схемы построения ТГц микроскопа будут обладать существенной научной и технической новизной. Они позволят расширить возможности применения микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии в различных областях науки и техники. НАПРАВЛЕНИЕ II – ЖГУТЫ САПФИРОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ДЛЯ ТГЦ ВИЗУАЛИЗАЦИИ С СУБ-ВОЛНОВЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ II.1) Жгуты сапфировых волокон для захвата ТГц поля ближней зоны, его масштабирования (в 2–3 раза) и последующей визуализации с использованием дифракционно ограниченной ТГц оптической системы; методы ТГц микроскопии суб-волнового разрешения на основе этих жгутов При выполнении проекта РНФ 2017–2020 разработаны методы формирования ТГц изображения с суб-волновым разрешением на базе жгутов сапфировых оптических волокон. Рассмотрены различные геометрии таких жгутов, однако наилучшие результаты показаны для жгутов цилиндрических волокон с металлическим (Nb) покрытием (см. слайды 16–20 графического приложения к заявке) [30,34]. Эти жгуты позволяют захватывать поле ближней зоны и переносить его из плоскости объекта (входной торец жгута) в плоскость изображения (выходной торец жгута) с разрешением до 0.3–0.55λ. Высокое пространственное разрешение достигается за счет локализации волноводных мод в сечении каждого сапфирового волокна благодаря высокому показателю преломления сапфира в ТГц диапазоне. Полученные результаты позволили сформулировать новый подход к эндоскопической визуализации с пространственным разрешением за дифракционным пределом Аббе. В то же время остается нерешенной проблема считывания ТГц поля с выходного торца подобного жгута и построения ТГц изображения. В предыдущих работах эта операция выполнялась путем сканирования выходного торца суб-волновой диафрагмой [34], что значительно снижает энергетическую эффективность системы визуализации. Для решения отмеченной проблемы в проекте РНФ 2020–2022 будет рассмотрен новый подход к построению жгута сапфировых волокон (см. слайды 21–22 графического приложения к заявке). Будет разработан, теоретически и экспериментально изучен жгут волокон, позволяющий: – захватить ТГц поле ближней зоны в плоскости объекта (входной торец жгута), – масштабировать поле ближней зоны (увеличивать в 2–3 раза) при его переносе жгутом от входного торца к выходному; – считывать отмасштабированное поле ближней зоны с выходного торца с использованием широкоапертурной дифракционно ограниченной ТГц оптической системы. Масштабирование поля будет осуществляться за счет линейного увеличения периода укладки волокон в сечении жгута по мере удаления от входного торца к выходному. ТГц изображение будет строиться без использования суб-волновой диафрагмы, что повысит энергетическую эффективность ТГц визуализации. Планируется рассмотреть два типа жгутов: один будет построен на базе цилиндрических волокон в диэлектрической матрице; другой – на базе волокон с металлическим покрытием (см. слайд 21 графического приложения к заявке). Предложенный принцип построения жгутов оптических волокон будет реализован впервые. Научной группой уже подготовлены сапфировые волокна и началась укладка жгутов нового типа (см. слайд 22 графического приложения к заявке). Ближайшим аналогом к рассматриваемому принципу визуализации является проволочная среда (Wire Media [35–37]) с увеличением масштаба изображения за счет расходящейся геометрии плазмонных волноводов [38,39]. Однако предложенный принцип значительно отличается как использованием диэлектрических волноводов, так и сильным масштабированием ближнего поля, обеспечивающим возможность его последующей визуализации с использованием дифракционно ограниченной оптики. Новый принцип будет реализован в ТГц диапазоне, при этом он имеет общий характер и может быть транслирован в другие области электромагнитного спектра, где существуют диэлектрические волноводы (волокна) с высоким показателем преломления. II.2) Методы восстановления и обработки ТГц изображений, полученных с помощью жгутов сапфировых оптических волокон, включая борьбу с эффектами неоднородного пропускания жгута по апертуре и пикселизации изображения Безусловно, разработка нового типа жгутов сапфировых оптических волокон для ТГц визуализации с суб-волновым пространственным разрешением потребует создания новых методов обработки и восстановления ТГц изображений. Для ТГц изображений, полученных с помощью жгутов первого типа, требовалась коррекция неоднородности пропускания отдельных волокон по апертуре жгута (см. слайд 20 графического приложения к заявке) [34]. Наряду с отмеченным типом искажения для жгутов нового типа могут быть характерны искажения, связанные с пикселизацией ТГц изображения [40]. Для борьбы с подобными искажениями ТГц изображений в проекте будут разрабатываться новые методы цифровой обработки. Разрабатываемые методы будут учитывать специфику физического механизма формирования ТГц изображения в таких жгутах, связанную с масштабированием ближнего поля. НАПРАВЛЕНИЕ III – ТГЦ СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ НА БАЗЕ ГИБКОГО САПФИРОВОГО ВОЛОКНА III.1) Результаты исследования новых схем построения ТГц сканирующей зондовой ближнепольной микроскопии на базе гибкого сапфирового волокна В проекте РНФ 2017–2020 года разработан метод ТГц сканирующей зондовой ближнепольной микроскопии на базе гибкого сапфирового волокна (см. слайды 24–26 графического приложения к заявке) [30,41,42]. Он предполагает облучение объекта исследования плоской волной и регистрацию рассеянного объектом поля в ближней зоне за счет его зондирования входным торцом сапфирового волокна, закрепленном на 3D сканирующей системе. За счет высокого показателя преломления сапфира в ТГц диапазоне подобная система визуализации обеспечивает разрешение до 0.25λ. В проекте РНФ 2020–2022 планируется рассмотреть альтернативные схемы построения ТГц микроскопа на базе гибкого сапфирового волокна. Во-первых, сапфировое волокно может располагаться перед объектом исследования, обеспечивая локальную засветку его поверхности ТГц излучением, которое (после рассеяния на объекте) будет регистрироваться неподвижным детектором. Такой подход позволит формировать двухмерные ТГц изображения планарных объектов и может найти свои применения, например, в анализе гистологических препаратов. Во-вторых, оптимизация геометрии торцов сапфирового волокна для задач ТГц сканирующей зондовой микроскопии может позволить дополнительно повысить разрешение и энергетическую эффективность ТГц микроскопа, построенного по старой или новой схеме (см. слайд 27 графического приложения к заявке). Различные варианты построения ТГц сканирующего зондового ближнепольного микроскопа будут рассмотрены в проекте теоретически и экспериментально. Оптимизация схемы построения позволит повысить эффективность и расширить области применения нового метода ТГц визуализации. III.2) Результаты исследования влияния сапфирового волокна (ближнепольного зонда) на регистрируемое им ТГц поле ближней зоны Важной задачей проекта РНФ 2020–2022 является изучение влияния ближнепольного зонда на регистрируемое ТГц поле. Данная проблема будет изучена в проекте теоретически (путем численного моделирования) и экспериментально (путем ТГц визуализации тестовых объектов), Это позволит объективно оценить возможности применения нового метода в задачах исследования новых типов пучков и каустик электромагнитного поля [41]. ДОПОЛНИТЕЛЬНООЕ НАПРАВЛЕНИЕ IV – АПРОБАЦИЯ НОВЫХ МЕТОДОВ ТГЦ МИКРОСКОПИИ IV.1) Результаты апробации новых методов ТГц микроскопии на биологических тканях различной природы; результаты оценки перспективности новых методов для различных областей науки и техники Новые методы ТГц микроскопии будут проходить апробацию, включающую исследование тестовых объектов и биологических тканей различной природы. Совместно с коллегами из Сеченовского университета и НМИЦ Нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко отдельная научная группа будет изучать возможности применения новых методов ТГц микроскопии для дифференциации интактных тканей, доброкачественных и злокачественных новообразований различной нозологии и локализации [4,5]. Научное сотрудничество с представителями этих двух ведущих медицинских учреждений, сформировавшееся еще до выполнения проекта РНФ 2017–2020, позволит оценить перспективность применения новых методов визуализации (и ТГц технологий в целом) в задачах неинвазивной, минимально-инвазивной и интраоперационной онкодиагностики. НАУЧНАЯ И ОБЩЕСТВЕННАЯ ЗНАЧИМОСТЬ При выполнении проекта будут разработаны / развиты новые методы ТГц микроскопии суб-волнового пространственного разрешения, обладающие существенной научной и технической новизной. Более того, будут найдены пути практического применения новых методов в области ТГц диагностики новообразований различной нозологии и локализации. Это придает проекту высокую общественную значимость, поскольку злокачественные новообразования входят в перечень социально-значимых заболеваний Российской Федерации [43]. ПРЕДПОСЫЛКИ УСПЕШНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА Для решения перечисленных междисциплинарных научных проблем в состав отдельной научной группы входят представители различных отраслей научного знания – технических, физико-математических и медицинских наук. Руководитель проекта и члены группы имеют достаточный для решения поставленных задач опыт научно-исследовательской деятельности в рассматриваемой области. Коллектив имеет опыт опубликования научных статей в высокорейтинговых изданиях из перечня Q1 и Q2 по данным Web of Science / Scopus. Результаты проекта будут соответствовать самому современному мировому уровню в рассматриваемой области знаний. РАЗВИТИЕ МОЛОДЕЖНОЙ ОТДЕЛЬНОЙ НАУЧНОЙ ГРУППЫ Важным результатом проекта РНФ 2020–2022 станет развитие молодежной отдельной научной группы – расширение кругозора молодых ученых, получение ими опыта проведения научных исследований и сотрудничества с ведущими ВУЗами, институтами РАН и зарубежными коллегами. Результаты проекта найдут отражение в квалификационных работах молодых ученых – курсовых и дипломных проектах студентов, кандидатских диссертациях аспирантов. Наконец, проект позволит развить экспериментальную базу отдельной научной группы. [1] N.V. Chernomyrdin, A.O. Schadko, S.P. Lebedev, V.L. Tolstoguzov, V.N. Kurlov, I.V. Reshetov, I.E. Spektor, M. Skorobogatiy, S.O. Yurchenko, K.I. Zaytsev, “Solid immersion terahertz imaging with sub-wavelength resolution,” Applied Physics Letters 110(22), 221109 (2017), DOI: 10.1063/1.4984952. [2] N.V. Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, G.S. Kolontaeva, G.M. Katyba, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, D.S. Ponomarev, V.N. Kurlov, I.V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev, “Reflection-mode continuous-wave 0.15λ -resolution terahertz solid immersion microscopy of soft biological tissues,” Applied Physics Letters 113(11), 111102 (2018), DOI: 10.1063/1.5045480. [3] N.V. Chernomyrdin, V.A. Zhelnov, A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, G.M. Katyba, V.E. Karasik, I.V. Reshetov, K.I. Zaytsev, “Numerical analysis and experimental study of terahertz solid immersion microscopy,” Optical Engineering 59(6), 061605 (2020), DOI 10.1117/1.OE.59.6.061605. [4] O.A. Smolyanskaya, N.V. Chernomyrdin, A.A. Konovko, K.I. Zaytsev, I.A. Ozheredov, O.P. Cherkasovad, M.M. Nazarov, J.-P. Guillet, S.A. Kozlov, Yu.V. Kistenev, J.-L. Coutaz, P. Mounaix, V.L. Vaks, J.-H. Son, H. Cheon, V.P. Wallace, Yu. Feldmann, I. Popov, A.N. Yaroslavsky, A.P. Shkurinov, V.V. Tuchin, “Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids related to water content,” Progress in Quantum Electronics 62, 1–77 (2018), DOI: 10.1016/j.pquantelec.2018.10.001. [5] K.I. Zaytsev, I.N. Dolganova, N.V. Chernomyrdin, G.M. Katyba, A.A. Gavdush, O.P. Cherkasova, G.A. Komandin, M.A. Shchedrina, A.N. Khodan, D.S. Ponomarev, I.V. Reshetov, V.E. Karasik, M.A. Skorobogatiy, V.N. Kurlov, V.V. Tuchin, “The progress and perspectives of terahertz technology for diagnosis of neoplasms: a review,” Journal of Optics 22(1), 013001 (2020), DOI 10.1088/2040-8986/ab4dc3. [6] N.V. Chernomyrdin, A.A. Gavdush, S.-I.T. Beshplav, K.M. Malakhov, A.S. Kucheryavenko, G.M. Katyba, I.N. Dolganova, S.A. Goryaynov, V.E. Karasik, I.E. Spektor, V.N. Kurlov, S.O. Yurchenko, G.A. Komandin, A.A. Potapov, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev, “In vitro terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain tumors: a pilot study,” Proceedings of SPIE 10716, 107160S (2018), DOI: 10.1117/12.2316302. [7] A.A. Gavdush, N.V. Chernomyrdin, K.M. Malakhov, S.-I.T. Beshplav, I.N. Dolganova, A.V. Kosyrkova, P.V. Nikitin, G.R. Musina, G.M. Katyba, I.V. Reshetov, O.P. Cherkasova, G.A. Komandin, V.E. Karasik, A.A. Potapov, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev, “Terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain gliomas of different grades: a road toward intraoperative THz diagnosis,” Journal of Biomedical Optics 24(2), 027001 (2019), DOI: 10.1117/1.JBO.24.2.027001. [8] L.P. Ghislain, V.B. Elings, K.B. Crozier, S.R. Manalis, S.C. Minne, K. Wilder, G.S. Kino, C.F. Quate, “Near-field photolithography with a solid immersion lens,” Applied Physics Letters 74(4), 501–503 (1999), DOI: 10.1063/1.123168. [10] Q. Wu, R.D. Grober, D. Gammon, D.S. Katzer, “Imaging spectroscopy of two-dimensional excitons in a narrow gaas/algaas quantum well,” Physical Review Letters 83(13), 2652--2655 (1999), DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.2652. [11] K. Karrai, X. Lorenz, L. Novotny, “Enhanced reflectivity contrast in confocal solid immersion lens microscopy,” Applied Physics Letters 77(21), 3459–3461 (2000), DOI: 10.1063/1.1326839. [12] D.A. Fletcher, K.B. Crozier, C.F. Quate, G.S. Kino, K.E. Goodson, D. Simanovskii, D.V. Palanker, “Refraction contrast imaging with a scanning microlens,” Applied Physics Letters 78(23), 3589–3591 (2001), DOI: 10.1063/1.1377318. [13] S.B. Ippolito, S.A. Thorne, M.G. Eraslan, B.B. Goldberg, M.S. Ünlü, Y. Leblebici, “High spatial resolution subsurface thermal emission microscopy,” Applied Physics Letters 84(22), 4529–4531 (2004), DOI: 10.1063/1.1758308. [14] Z. Liu, B.B. Goldberg, S.B. Ippolito, A.N. Vamivakas, M.S. Ünlü, R. Mirin, “High resolution, high collection efficiency in numerical aperture increasing lens microscopy of individual quantum dots,” Applied Physics Letters 87(7), 071905 (2005), DOI: 10.1063/1.2012532. [15] C. Peng, C. Mihalcea, D. Büchel, W.A. Challener, E.C. Gage, “Near-field optical recording using a planar solid immersion mirror,” Applied Physics Letters 87(15), 151105 (2005), DOI: 10.1063/1.2093937. [16] G.M. Lerman, A. Israel, A. Lewis, “Applying solid immersion near-field optics to Raman analysis of strained silicon thin films,” Applied Physics Letters 89(22), 223122 (2006), DOI: 10.1063/1.2398888. [17] G. Tessier, M. Bardoux, C. Boué, C. Filloy, D. Fournier, “Back side thermal imaging of integrated circuits at high spatial resolution,” Applied Physics Letters 90(17), 171112 (2007), DOI: 10.1063/1.2732179. [18] S. Nakajima, H. Hoshina, M. Yamashita, C. Otani, N. Miyoshi, “Terahertz imaging diagnostics of cancer tissues with a chemometrics technique,” Applied Physics Letters 90(4), 041102 (2007), DOI: 10.1063/1.2433035. [19] K.I. Zaytsev, K.G. Kudrin, V.E. Karasik, I.V. Reshetov, S.O. Yurchenko, “In vivo terahertz spectroscopy of pigmentary skin nevi: Pilot study of non-invasive early diagnosis of dysplasia,” Applied Physics Letters 106(5), 053702 (2015), DOI: 10.1063/1.4907350. [20] N.V. Chernomyrdin, A.D. Lesnichaya, E.V. Yakovlev, K.G. Kudrin, O.P. Cherkasova, E.N. Rimskaya, V.N. Kurlov, V.E. Karasik, I.V. Reshetov, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev, “Differentiation of basal cell carcinoma and healthy skin using multispectral modulation autofluorescence imaging: A pilot study,” Journal of Biomedical Photonics & Engineering 5(1), 3309 (2019), DOI: 10.18287/JBPE19.05.010302. [21] D. Grischkowsky, S. Keiding, M. van Exter, Ch. Fattinger, “Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors,” Journal of the Optical Society of America B 7(10), 2006–2015 (1990), DOI: 10.1364/JOSAB.7.002006. [22] A. Podzorov, G. Gallot, “Low-loss polymers for terahertz applications,” Applied Optics 47(18), 3254–3257 (2008), DOI: 10.1364/AO.47.003254. [23] V.E. Ulitko, A.K. Zotov, A.A. Gavdush, G.M. Katyba, G.A. Komandin, I.E. Spektor, M. Skorobogatiy, I.M. Shmytko, V.N. Kurlov, V.M. Masalov, K.I. Zaytsev, “Nanoporous SiO2 based on annealed artificial opals as a favorable material platform of terahertz optics,” Advanced Optical Materials, under review (2020). [24] S.O. Yurchenko, K.I. Zaytsev, E.A. Gorbunov, E.V. Yakovlev, A.K. Zotov, V.M. Masalov, G.A. Emelchenko, V.S. Gorelik, “Enhanced third-harmonic generation in photonic crystals at band-gap pumping,” Journal of Physics D: Applied Physics 50(5), 055105 (2017), DOI: 10.1088/1361-6463/aa53d4. [25] K.I. Zaytsev, S.O. Yurchenko, “Enhancement of second harmonic generation in NaNO2-infiltrated opal photonic crystal using structural light focusing,” Applied Physics Letters 105(5), 051902 (2014), DOI: 10.1063/1.4892363. [27] L.A. Dykman, N.G. Khlebtsov, “Methods for chemical synthesis of colloidal gold,” Russian Chemical Reviews 88(3), 229–247 (2019), DOI: 10.1070/RCR4843. [28] V.А. Khanadeev, B.N. Khlebtsov, S.A. Klimova, M.Yu. Tsvetkov, V.N. Bagratashvili, G.B. Sukhorukov, N.G. Khlebtsov, “Large-scale high-quality 2D silica crystals: dip-drawing formation and decoration with gold nanorods and nanospheres for SERS analysis,” Nanotechnology 25(40), 405602 (2014), DOI: 10.1088/0957-4484/25/40/405602. [29] P. Martin, “Sum rules, Kramers-Kronig relations, and transport coefficients in charged systems,” Physical Review 161, 143–155 (1967), DOI: 10.1103/PhysRev.161.143. [30] G.M. Katyba, K.I. Zaytsev, I.N. Dolganova, I.A. Shikunova, N.V. Chernomyrdin, S.O. Yurchenko, G.A. Komandin, I.V. Reshetov, V.V. Nesvizhevsky, V.N. Kurlov, “Sapphire shaped crystals for waveguiding, sensing and exposure applications,” Progress in Crystal Growth & Characterization of Materials 64(4), 133–151 (2018), DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2018.10.002. [31] G.M. Katyba, K.I. Zaytsev, N.V. Chernomyrdin, I.A. Shikunova, G.A. Komandin, V.B. Anzin, S.P. Lebedev, I.E. Spektor, V.E. Karasik, S.O. Yurchenko, I.V. Reshetov, V.N. Kurlov, M. Skorobogatiy, “Sapphire photonic crystal waveguides for terahertz sensing in aggressive environments,” Advanced Optical Materials 6(22), 1800573 (2018), DOI: 10.1002/adom.201800573. [32] K.I. Zaytsev, G.M. Katyba, V.N. Kurlov, I.A. Shikunova, V.E. Karasik, S.O. Yurchenko, “Terahertz photonic crystal waveguides based on sapphire shaped crystals,” IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology 6(4), 576–582 (2016), DOI: 10.1109/TTHZ.2016.2555981. [33] W.L. Barnes, G. Björk, J.M. Gérard, P. Jonsson, J.A.E. Wasey, P.T. Worthing, V. Zwiller, “Solid-state single photon sources: light collection strategies,” The European Physical Journal D 18, 197–210 (2002), DOI: 10.1140/epjd/e20020024. [34] K.I. Zaytsev, G.M. Katyba, N.V. Chernomyrdin, I.N. Dolganova, A.S. Kucheryavenko, A.N. Rossolenko, V.V. Tuchin, V.N. Kurlov, M. Skorobogatiy, “Overcoming the Abbe diffraction limit using a bundle of metal-coated high-refractive-index sapphire optical fibers,” Advanced Optical Materials, under review (2020). [35] C.R. Simovski, P.A. Belov, A.V. Atrashchenko, Y.S. Kivshar, “Wire metamaterials: physics and applications,” Advanced Materials 24(31), 4229-4248 (2012), DOI: 10.1002/adma.201200931. [36] P.A. Belov, C.R. Simovski, P. Ikonen, “Canalization of subwavelength images by electromagnetic crystals,” Physical Review B 71(19), 193105 (2005), DOI: 10.1103/PhysRevB.71.193105. [37] P.A. Belov, Y. Hao, S. Sudhakaran, “Subwavelength microwave imaging using an array of parallel conducting wires as a lens,” Physical Review B 73(3), 033108 (2006), DOI: 10.1103/PhysRevB.73.033108. [38] P.A. Belov, G.K. Palikaras, Y. Zhao, A. Rahman, C.R. Simovski, Y. Hao, C. Parini, “Experimental demonstration of multiwire endoscopes capable of manipulating near-fields with subwavelength resolution,” Applied Physics Letters 97(19), 191905 (2010), DOI: 10.1063/1.3516161. [39] Md.S. Habib, A. Stefani, S. Atakaramians, S.C. Fleming, A. Argyros, B.T. Kuhlmey, “A prism based magnifying hyperlens with broad-band imaging,” Applied Physics Letters 110(10), 101106 (2017), DOI: 10.1063/1.4978445. [40] J.-H. Han, S. Yoon, “Depixelation of coherent fiber bundle endoscopy based on learning patterns of image prior,” Optics Letters 36(16), 3212–3214 (2011), DOI: 10.1364/OL.36.003212. [41] I.V. Minin, O.V. Minin, G.M. Katyba, N.V. Chernomyrdin, V.N. Kurlov, K.I. Zaytsev, L. Yue, Z. Wang, D.N. Christodoulides, “Experimental observation of a photonic hook,” Applied Physics Letters 114(3), 031105 (2019), DOI: 10.1063/1.5065899. [42] N.V. Chernomyrdin, G.M. Katyba, A.A. Gavdush, T.V. Frolov, I.N. Dolganova, V.N. Kurlov, K.I. Zaytsev, “Terahertz transmission-mode near-field scanning-probe microscope based on a flexible sapphire fiber,” Proceedings of SPIE 11088, 110880I (2019), DOI 10.1117/12.2528741. [43] Постановление Правительства РФ от 1.12.2004 №715 «Об утверждении перечня социально значимых заболеваний и перечня заболеваний, представляющих опасность для окружающих» (в ред. Постановления Правительства РФ от 13.07.2012 №710).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---