КОМПАКТНЫЙ ИСТОЧНИК/ДЕТЕКТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЕРИОДИЧЕСКИ ГОФРИРОВАННОГО ВОЛНОВОДА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Терагерцовая биофотоника открывает значительные перспективы для различных биомедицинских приложений. В этой работе мы предлагаем схему компактного терагерцового устройства, в котором эффект генерации и усиления терагерцового излучения достигается за счет взаимодействия пучка электронов, движущихся в вакууме, с электромагнитной волной гофрированного волновода. Показано, что в рассматриваемой схеме устройства возможен как режим генерации и усиления, так и режим детектирования терагерцовых волн.

Об авторах

Л. Ю Щурова

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: ljusia@gmail.com
Москва, Россия

В. А Намиот

Институт ядерной физики, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Москва, Россия

Список литературы

  1. Chen X., Lindley-Hatcher H., Stantchev R., Wang J., K. Li, Serrano A. H., Taylor Z. D., Castro-Camus E., and Pickwell-MacPherson E. Terahertz (THz) biophotonics technology: Instrumentation, techniques, and biomedical applications. Chem. Phys. Rev., 3 (1), 011311 (2022). doi: 10.1063/5.0068979
  2. Neu J., Stone E. A., Spies J. A., Storch G., Hatano A. S., Mercado B. Q., Miller S. J., and Schmuttenmaer C. A. Terahertz spectroscopy of tetrameric peptides. J. Phys. Chem. Lett., 10 (10), 2624–2628 (2019). doi: 10.1021/acs.jpclett.9b01091
  3. Glancy P. Concentration-dependent effects on fully hydrated DNA at terahertz frequencies. J. Biol. Phys., 41 (3), 247–256 (2015). doi: 10.1007/s10867-015-9377-0
  4. Fu X., Liu Y., Chen Q., and Fu Y. Applications of terahertz spectroscopy in the detection and recognition of substances. Front. Phys., 10, 869537 (2022). doi: 10.3389/fphy.2022.869537
  5. Conti Nibali V. and Havenith M. New insights into the role of water in biological function: Studying solvated biomolecules using terahertz absorption spectroscopy in conjunction with molecular dynamics simulations. J. Am. Chem. Soc., 136 (37), 12800–12807 (2014).
  6. Hishida M. and Tanaka K. Long-range hydration effect of lipid membrane studied by terahertz time-domain spectroscopy. Phys. Rev. Lett., 106, 158102 (2011). doi: 10.1103/PhysRevLett.106.158102
  7. Nikitkina A. I., Bikmulina P. Y., Gafarova E. R.., Kosheleva N V., Efremov Y. M., Bezrukov E. A., Butnaru D. V., Dolganova I. N., Chernomyrdin N. V., Cherkasova O. P., Gavdush A. A., and Timashev P. S. Terahertz radiation and the skin: A review. J. Biomed. Opt., 26 (4), 043005 (2021). doi: 10.1117/1.JBO.26.4.043005J
  8. Qi X., Bertling K., Torniainen J., Kong F., Gillespie T., Primiero C., Stark M. S., Dean P., Indjin D., Li L. H., Linfield E. H., Davies A. G., Brunig M., Mills T., Rosendahl C., Soyer H. P., and Rakić A. D. Terahertz in vivo imaging of human skin: Toward detection of abnormal skin pathologies. APL Bioeng., 8 (1), 016117 (2024). doi: 10.1063/5.0190573
  9. Wallace V. P., Fitzgerald A. J., Pickwell E., Pye R. J., Taday P. F., Flanagan N., and Ha T. Terahertz pulsed spectroscopy of human Basal cell carcinoma. Appl. Spectrosc., 60 (10), 1127–1133 (2006). doi: 10.1366/000370206778664635
  10. Zaytsev K. I., Chernomyrdin N. V., Kudrin K. G., and Gavdush A. In vivo terahertz pulsed spectroscopy of dysplastic and non-dysplastic skin nevi. J. Phys. Conf. Ser., 735 (1), 012076 (2016). doi: 10.1088/1742-6596/735/1/012076
  11. Ji Y. B., Oh S. J., Kang S.-G., Heo J., Kim S.-H., Choi Y., Song S., Son H. Y., Kim S. H., Lee J. H., Haam S. J., HuhY. M., Chang J. H., Joo Ch., and Suh J.-S. Terahertz reflectometry imaging for low and high grade gliomas. Sci. Rep., 6, 36040 (2016). doi: 10.1038/srep36040
  12. Wu L., Xu D., Wang Y., Liao B., Jiang Z., Zhao L., Sun Z., Wu N., Chen T., Feng H., and Yao J. Study of in vivo brain glioma in a mouse model using continuouswave terahertz reflection imaging. Biomed. Opt. Express, 10 (8), 3953–3962 (2019). doi: 10.1364/BOE.10.003953
  13. Smolyanskaya O. A., Chernomyrdin N. V., Konovko A. A., Zaytsev K. I., Ozheredov I. A., Cherkasova O. P., Nazarov M. M., Guillet J.-P., Kozlov S. A., Kistenev Yu. V., Coutaz J.-L., Mounaix P., Vaks V. L., Son J.-H., Cheon H., Wallace V. P., Feldman Yu., Popov I., Yaroslavsky A. N., Shkurinov A. P., and Tuchin V. V. Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids. Progr. Quantum Electronics, 62, 1–77 (2018). doi: 10.1016/j.pquantelec.2018.10.001
  14. Amini T., Jahangiri F., Ameri Z., Hemmatian M. A. A review of feasible applications of THz waves in medical diagnostics and treatments. J. Lasers Med. Sci., 12, e92 (2021). doi: 10.34172/jlms.2021.92
  15. Cheon H., Hur J. K., Hwang W., Yang H.-J., and Son J.-H. Epigenetic modification of gene expression in cancer cells by terahertz demethylation. Sci. Rep., 13, 4930 (2023). doi: 10.1038/s41598-023-31828-w
  16. Yin J., Wu K., Yu Y., Zhong Y., Song Z., Chang C., and Liu G. Terahertz photons inhibit cancer cells long term by suppressing nano telomerase activity. ACS Nano, 18 (6), 4796–4810 (2024). doi: 10.1021/acsnano.3c09216
  17. Movsisyan M., Al-Rossais A. A., Sayeed S., and Movsisyan G. Applications of terahertz waves in medical diagnostics: a literature review. Int. J. Commun. Med. Publ. Health, 11 (6), 2450–2454 (2024). doi: 10.18203/2394-6040.ijcmph20241512
  18. Zhang J., Li S., and Le W. Advances of terahertz technology in neuroscience: Current status and a future perspective. iScience, 24 (12), 103548 (2021). doi: 10.1016/j.isci.2021.103548
  19. Liu M., Liu J., Liang W., Lu B., Fan P., Song Y., Wang M., Wu Y., and Cai X. Recent advances and research progress on microsystems and bioeffects of terahertz neuromodulation. Microsystems & Nanoengineering, 9 (1), 143 (2023). doi: 10.1038/s41378-023-00612-1
  20. Wang Y., Xiong Y., Chen M., Liu F., He H., Ma Q., Gao P., Xiang G., and Zhang L. The biological effects of terahertz wave radiation-induced injury on neural stem cells. iScience, 26 (10), 107418 (2023). doi: 10.1016/j.isci.2023.107418
  21. Berry E., Walker G. C., Fitzgerald A. J., Zinov’ev N. N., Chamberlain M., Smye S. W., Miles R. E., and SmithM. A. Do in vivo terahertz imaging systems comply with safety guidelines? J. Laser Applications, 15 (3), 192–198 (2003). doi: 10.2351/1.1585079
  22. Namiot V. A. and Shchurova L. Yu., On the generation of electromagnetic waves in the terahertz frequency range. Phys. Lett. A, 375 (28–29), 2759–2766 (2011). doi: 10.1016/j.physleta.2011.05.061
  23. Shchurova L. Y, Namiot V.A., and Sarkisyan D. R. A compact source of terahertz radiation based on interaction of electrons in a quantum well with an electromagnetic wave of a corrugated waveguide. Biophysics, 60 (4), 647–655 (2015). doi: 10.1134/S0006350915040211
  24. Shchurova L. and Namiot V. A compact source of terahertz radiation based on an open corrugated waveguide. In: Advances in Condensed-Matter and Materials Physics Rudimentary Research to Topical Technologyon, Ed. by J. Thirumalai (IntechOpen, London, 2020), pp. 145–159. doi: 10.5772/intechopen.89692L
  25. Полуэктов Н. П. и Царьгородцев Ю. П. Экспериментальная технологическая установка с СВЧ. Приборы и техника эксперимента, № 4, 150 (1996).
  26. Liu K., Yang L., Wang M., and Yang S. Performance optimization of magnetostrictive guided wave sensor based on waveguide wire. AIP Advances, 9, 085216 (2019). doi: 10.1063/1.5119935
  27. Bolotovskii B. M. and Serov A. V. Special features of motion of particles in an electromagnetic wave. Phys. Usp. 46 (6) 645–655 (2003). doi: 10.1070/PU2003v046n06ABEH001349
  28. Андреев С. Н., Макаров В. П. и Рухадзе А. А. Средние силы, действующие на вещество в сильных лазерных п олях. Вопросы атомной науки и техники, 68, 240–244 (2010).
  29. Shin Y.-M., Baig A., Barnett L. R. , Tsai W. C., and Luhmann N. C. System design analysis of a 0.22-THz sheetbeam traveling-wave tube amplifier. IEEE Trans. Electron Devices, 59 (1), 234 (2012).
  30. Zhang L., Jiang Y., Lei W., Hu P., Guo J., Song R., Tang X., Ma G., Chen H., and Wei Y. A piecewise sine waveguide for terahertz traveling wave tube. Sci. Rep., 12, 10449 (2022). doi: 10.1038/s41598-022-14587-y
  31. Mineo M. and Paoloni C. Corrugated rectangular waveguide tunable backward wave oscillator for terahertz applications. IEEE Trans. Electron Devices, 57 (6), 1481–1484 (2010). doi: 10.1109/TED.2010.2045678
  32. Губанов В. А., Кострикин А. В. и Садовников А. В. Исследование распространения спиновых волн в системе гофрированный волновод – планарный волновод при изменении параметров модуляции. Физика твердого тела, 65 (7), 1171–1175 (2023). doi: 10.21883/FTT.2023.07.55840.43H

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).