Разработка генератора зеленого излучения для медицины
Магистранты Передовой инженерной школы Томского госуниверситета систем управления и радиоэлектроники (ПИШ ТУСУРа) разрабатывают интегрально-оптический преобразователь инфракрасного излучения в зеленое на основе ниобата лития. Преобразователь можно будет использовать для мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы.
Напомним, что ПИШ ТУСУРа была открыта в 2022 году. Она призвана готовить высококвалифицированные кадры в области создания элементов микроэлектроники и фотоники, цифровых приборов и устройств интернета вещей, а также программно-аппаратных комплексов управления и приемопередачи БПЛА. В ходе обучения студенты работают над реальными проектами.
«Наша цель — создать компактный, энергоэффективный и стабильный источник зеленого света, который можно реализовать не в виде громоздкой лазерной системы, а в виде миниатюрной фотонной схемы на кристалле, — рассказал руководитель проекта Аян Мырзахметов. — Создание таких источников зеленого излучения значительно сложнее, чем источников красного или синего света. При этом компактные лазеры видимого диапазона востребованы во многих областях: в оптических сенсорах, дисплейных технологиях, биомедицинской диагностике и квантовых устройствах».
По его словам, проект ориентирован прежде всего на применение в медицине, в частности в кардиологии. Такие источники могут стать основой для новых биофотонных методов мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы. В настоящий момент проектом студентов заинтересовался НИИ кардиологии Томского НИМЦ.
«Интерес к биомедицинскому применению возник при изучении принципов работы носимых устройств, например смарт-часов, — рассказа Аян. — В них обычно используется светодиод изучающий зеленый свет, поскольку он хорошо поглощается кровью, и по изменению отраженного сигнала можно оценивать пульс и ряд других параметров. В научной литературе также рассматриваются подходы, в которых вместо светодиодов применяются лазерные источники, а анализ ведется не только по изменению амплитуды, но и по фазовым характеристикам сигнала. Такие методы потенциально позволяют уточнить и увеличить количество измеряемых параметров».
В настоящий момент студенты провели комплекс технологических исследований, связанных с изготовлением волноводных структур на тонкопленочном ниобате лития. Также ими разработана структура фотонной интегральной схемы для генерации зеленого излучения.
Сейчас проект находится на стадии отработки технологии изготовления. Основная цель на 2026 год – получить работоспособный макет интегрально-оптического преобразователя. Защита результатов состоится уже летом.
«Идея проекта возникла на стыке моей профессиональной подготовки и прикладного интереса к биомедицинским технологиям, — пояснил руководитель проекта. — Я окончил кафедру электронных приборов, где исторически ведутся исследования оптических свойств ниобата лития. Этот материал известен своими выдающимися нелинейными характеристиками, благодаря которым в нем может реализовываться эффект генерации второй гармоники. Суть этого эффекта заключается в том, что при определенных условиях излучение одной частоты, проходя через нелинейную среду, порождает излучение с удвоенной частотой, то есть с вдвое меньшей длиной волны. Именно этот принцип лежит в основе работы многих зеленых лазеров. Чтобы реализовать такой эффект в компактном формате, необходимы тонкопленочный ниобат лития и фотонная интегральная схема, обеспечивающая эффективное преобразование излучения».