Politechnika Warszawska
Politechnika Warszawska Uczelnia Badawcza

Wystartował podcast projektu IDUB na PW

Logo podcastu

Trzy kwadranse z badawczą to cykl rozmów z naukowcami Politechniki Warszawskiej o projektach naukowych realizowanych w ramach grantów badawczych, uzyskanych w konkursach zorganizowanych w ramach realizacji projektu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”.

Każdy odcinek będzie poświęcony jednemu projektowi. Celem spotkań jest zapoznanie słuchacza z tematyką prowadzonych badań, a także przedstawienie ich praktycznego wymiaru.

Odcinek 1: Terahercowe obrazowanie tkanek nowotworowych

W pierwszym odcinku Darek Aksamit, fizyk medyczny z Wydziału Fizyki PW rozmawia z dr inż. Agnieszką Siemion (również z Wydziału Fizyki PW) o wykorzystywaniu właściwości spolaryzowanego oświetlenia i metody pola jasnego i pola ciemnego do terahercowego obrazowania fantomu tkanek zdrowych i zmienionych nowotworowo.

Słuchaj odcinka tutaj:

Przeczytaj o projekcie >>>

Transkrypcja

Darek Aksamit (AD): W dzisiejszym odcinku naszego politechnicznego podcastu witamy doktor Agnieszkę Siemion z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskie, która jest również przy okazji wicedziekanem Wydziału Fizyki, ale zaprosiliśmy ją głównie ze względu na projekt FOTECH-1, projekt finansowany z projektu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”  na PW.

W ramach konkursu FOTECH-1 dostałaś grant na terahercowe obrazowanie tkanek nowotworowych. Po pierwsze gratulacje, ale od razu pytanie: co to są teraherce?

Agnieszka Siemion (AS): Teraherce to, z jednej strony można powiedzieć tak śmiesznie, że w paśmie elektromagnetycznym jest to tzw. dziura dlatego, że teraherce są nazywane po angielsku gap jako region, który był przez w ogóle niezagospodarowany. Nie, dlatego że jest nieciekawy, czy trudny w zastosowaniach. Dlatego że nie za bardzo potrafiliśmy wytworzyć promieniowanie, które by świeciło w tym zakresie. Nie bardzo potrafiliśmy również stworzyć detektory. Teraherce to jest taki fragment promieniowania magnetycznego, który jest pomiędzy optyką podczerwieni a mikrofalami i o ile ze strony mikrofali jesteśmy, że tak powiem, zaopatrzeni w różne tam, nie wiem, anteny, nie anteny. Wszystkie przesyły są jakby dobrze opracowane.

DA: Czyli od technik radarowych po naszą kuchnię i mikrofalówki. Mikrofale znamy dobrze. Czyli mówiąc mikrofale mamy na myśli fale milimetrowe, submilimetrowe.

AS: Tak, tak. I potem wszystkie radiowe, to już tam dalej. Ale te mikrofale, no właśnie i radarowo są bardzo dobrze opracowane. Z drugiej strony mamy podczerwień, światło widzialne, które też są dobrze poznane. Umiemy się, że tak powiem w nich posługiwać, a tutaj w przypadku teraherców był problem taki, że ani źródła takie podczerwone, ani te źródła tak jak będą z tej gałęzi mikrofalowej, tracą moc, czyli są coraz słabsze. Czyli jeżeli my też chcieliśmy wygenerować jako promieniowanie terahercowe, to tak naprawdę nie potrafiliśmy.

DA: To jak ta dziura została zapełniona? Czy pojawiły się lepsze źródła?

AS: Pojawiają się coraz lepsze źródła. Rozwój jest naprawdę, według mnie, bardzo duży na przełomie końcówki zeszłego wieku i tego. Bardzo duży postęp jest w tym, że te źródła nie muszą być umieszczone w kriostacie, czyli mogą być coraz bardziej stosowane w takich warunkach też nie tylko laboratoryjnych. Coraz więcej jest tych źródeł, coraz więcej badań i one są coraz mocniejsze. Na razie nie są specjalnie tanie, więc tutaj jest dosyć duży problem, ale moja osobista ocena jest taka, że jeżeli znajdzie się coraz więcej zastosowań, to te źródła będą taniały. Też coraz więcej grup pracuje nad coraz tańszymi, prostszymi źródłami. Ta strona detekcyjna jest chyba troszeczkę, mimo wszystko, lepiej rozwinięta. Łatwiej znaleźć tańszy detektor niż najtańsze źródło.

DA: W czym jest problem? Z jednej strony znowu te mikrofale. To mamy te magnetrony. Mamy falę elektromagnetyczną, która gdzieś tam lata w metalowej strukturze, a w drugą stronę z podczerwienią jest na tyle łatwo, że wystarczy coś nagrać i to emituje podczerwień. To co jest tym fizycznym generatorem teraherców?

AS:  To zależy. Jesteśmy w stanie emitować te fale terahercowe, zarówno źródłami termicznymi, które biorą się z tej podczerwieni. Też technologia, której nie można pominąć to jest spektroskopia terahercowa w dziedzinie czasu, czyli tak de facto w laser femtosekundowy, mądrze mówiąc, który nam oświetla antenę fotoprzewodzącą. Ten ruch nośników tworzy nam falę terahercową, jak to się wszystko tam odpowiednio dobierze, to jesteśmy w stanie. To znaczy odpowiednio dobierze, czyli ten półprzewodnik musi mieć odpowiednie parametry, żeby móc wygenerować promieniowanie terahercowe. Ale jest też powiedzmy taka cała gałąź tych źródeł półprzewodnikowych. Jest cała rzesza źródeł takich, na przykład tutaj w tym projekcie używaliśmy oscylator o jakieś tam małej gigahercowej częstotliwości, która jest zwielokrotniana. Oczywiście, każde zwielokrotnienie sprawia, że ten sygnał jest słabszy, ale dzięki tego typu źródłom możemy za pomocą dołączenia różnych falowodów wygenerować promieniowanie z różnego zakresu. W tym promieniowaniu terahercowym, tak naprawdę zależy od definicji, bo przeważnie definiuje się, że to jest od 100 gigaherców do 10 teraherców. Różne są definicje. Taka najwęższa chyba jest od 300 GHz do 300 THz, ale to jest taka trochę, według mnie, krzywdząca, że tak powiem. Jednak są też, na przykład kolejne źródła kaskadowe, które często dochodzą do czterech, pięciu i tych kilku teraherców, a są takie oscylatory z tymi diodami Schottky’ego, które my używamy. Tam od 60, 90 gigaherców, tak można zapełnić aż do jednego teraherca. Potem ta moc na tyle spada, że nie ma sensu. W tym zakresie terahercowym, w zależności od tego, czy jesteśmy przy tych niższych częstotliwościach, czy wyższych, to stosujemy źródła pochodzące albo od takich optycznych, albo od takich bardziej z tej strony mikrofalowej. To co jest na przykład dla mnie fajne i zaskakujące jednocześnie to to, że jakie źródła, które stosujemy, czyli właśnie te, kolokwialnie mówiąc, diody Schottky’ego ze zwielokrotniaczami częstotliwości, one mają bardzo cienką linię emisyjną, więc są bardzo koherentne. To interferuje wszystko ze wszystkim. Jak się wstawi jeden element do, to jest jak się nie wstawi nic do układu, to już nawet ten stół, który jest, on jest bardzo dobrym zwierciadłem. Długość fali terahercowej, bo tutaj na razie poruszaliśmy jakiś częstotliwościach, ale tak naprawdę to przekładając to na długość fali, to jest tam pół milimetra, milimetr. To są takie 300 GHz, czyli dokładnie jeden milimetr, oczywiście dokładnościami do różnych ośrodków i nie ośrodków. Jeden milimetr, czyli tak jakby bardzo dobre optyczne zwierciadło, ma gładkość, długość fali przez 10 przez 20, czyli w tym przypadku dokładność 0,1 mm jest bardzo dobrą optyką.

DA: Przy okazji, pamiętam właśnie takie laboratorium na Wydziale Fizyki, w Centralnym Laboratorium Fizyki, gdzie były struktury interferencyjne dla różnych fal. To było uderzające, że jak mówimy o interferencji tła, dostajemy jakiś kawałek plastiku, dowiadujemy się, że to jest siatka dyfrakcyjna, że tam jest ileśset lub tysięcy rys na milimetr. Tak gołym okiem tego nie widać. Trudno poczuć, ale obok dostajemy metalową ramkę, taką o grubości palca i okazuje się, że to jest interferometr dla mikrofal. Wtedy to się staje bardziej namacalne. Też się bada, jak się tam nakładają falowody. Poruszamy się w obszarze milimetrów, pojedynczych milimetrów albo ułamków milimetra. Przejdźmy do tej detekcji. Wiemy już co mamy i skąd to bierzemy. A skąd wiemy, że to jest? Jak to mierzymy?

AS: Tu jest miłe zaskoczenie. Jest  urządzenie, które jest emiterem, nieco się modyfikuje i również detekuje promieniowanie terahercowe. My wykorzystywaliśmy również diody Schottky’ego, dlatego że promieniowanie, które dochodziło nam do detektora było przęgane, można powiedzieć, do falowodu. Potem padało na diodę Schottky’ego. W sumie na swoją taką nieliniową pracę pozwala nam odciąć tylko górne połówki naszej całej fali. Czyli po uśrednieniu otrzymujemy sygnał, który nam odpowiada natężeniu tej fali, która pada. Czyli wiemy czy to jest więcej, czy mniej. W różnych innych zastosowaniach również jest cała rzesza różnych detektorów. Takim samym bliźniaczym przykładem jest właśnie ta spektroskopia w dziedzinie czasu, bo tam też emitujemy, detekujemy za pomocą anten fotoprzewodzących albo takich kryształów elektrooptyczny. Te teraherce bardzo dużo się stykają z takimi efektami nieliniowymi. To jest też takie pole do badań, rozwijane przez wielu naukowców. Z naszej strony optyków, to ja zawsze miałam takie poczucie, że jest emiter, jest detektor. To co pomiędzy jest takie najfajniejsze i zawsze, jako optycy, byliśmy takimi wyrzutkami na jakiś konferencjach, bo wszyscy tam albo emitowali, albo detekowali. A ja mówię: No dobrze, ale to może coś z tym zrobić pomiędzy, jakoś to przekierować. Trzeba przyznać, że ta optyka, taka terahercowa nie była specjalnie taką...

DA: Traktowana z należytym szacunkiem.

AS: Tak.

DA: Mówisz o tym pośrodku. Patrzę na schemat, który jest na stronie biuletyn.pw.edu.pl. Zachęcamy do przeczytania. Są tutaj te układy optyczne, które budujecie. Dużo się dzieje pośrodku. Tu są przesłony. Tu są układy skupiające. Tu są rozpraszające. Tu się pojawia jeden filtr, drugi filtr. Sporo tych rzeczy robicie pośrodku, więc może jeszcze pytanie. Jak manipulujecie w między czasie tą wiązką?

AS: To jest właśnie to co jest dla nas najciekawsze. To, że my wyemitujemy i jesteśmy wstanie zdetekować promieniowanie, to jest jedno. Druga rzecz jest taka, że to wszystko co jest pomiędzy możemy sobie troszeczkę pożyczyć z takiej zwykłej optyki. Dzięki temu możemy też stworzyć układ, który do czegoś służy. Ciekawe jest to, że w sumie, mimo że taka optyka terahercowa, oprócz takiej zwierciadlanej, bo zwierciadła są, jak wiadomo, jakby achromatyczne, bardzo mądre słowo, ale działają nam dla wszystkich częstotliwości tak samo. Czyli czy ja to zwierciadło użyję dla promieniowania widzialnego podczerwonego, czy terahercowego, to ono zawsze będzie działało tak samo. Oczywiście, zakładając, że odbija takie promieniowanie. Bo tę warstwę odbijającą trzeba dobrać.

DA: Czyli, że rozmiar jest mniejszy niż 1/10 długości fali.

AS: Tak.

DA: Po prostu ściana. Każda ściana będzie dla nas też zwierciadłem dla teraherców.

AS: Jak ją pokryjemy metalem. Ściana jest nieprzezroczysta. Też są różne opcje, kombinacje, czy da się to obejść, czy się nie da obejść. Raczej na razie nie przenikamy terahercami przez ściany.

DA: Ale czy przy tych analogiach optycznych. No właśnie. Pokazywałaś mi kiedyś soczewkę, która miała kształt soczewki, ale bynajmniej nie była przezroczysta, jak soczewka świetlna. Z czego była?

AS: Albo z papieru. Albo z różnego typu polimerów. Teraz pewnie mnie chemicy zjedzą, ponieważ te wszystkie materiały ja w ogólności nazywam plastikami, bo to są poliamidy i poliamid jest bardzo dobrze przezroczysty w terahercach. Ma kolor biały, czarny, jakieś tam różne domieszki. Dla światła widzialnego jest nieprzezroczysty. Bardzo dobrym materiałem i bardzo przezroczystym dla teraherców jest teflon. Wielki szok dla mnie był taki, że teflon jest biały. Na każdej patelni wygląda inaczej, ale głównie chodzi o to, że patelnie mają taki kolor, bo to jest klej, który pozwala nam przymocować ten teflon do jakieś powierzchni.

DA: To klej jest czarny?

AS: Tak. Sam teflon jest biały i naprawdę się nie chce kleić. To jest fatalne. Kiedyś mieliśmy problem z przymocowanym soczewki w układzie, takiej teflonowej, to nawet z nią nie można nic z robić. Trzeba po prostu dorobić taki uchwyt, żeby broń Boże niczego nie przykleić, bo cię nie chce kleić.

DA: A propos tego, że człowiek uczy się całe życie.  Właśnie teraz sobie uzmysłowiłem, że jak się uszczelnia gwinty, to się używa taśmy teflonowej i ona jest biała. Używałem wielokrotnie taśmy teflonowej do domowych zastosowań i laboratoryjnych. Dopiero teraz mnie uderzyło, że faktycznie teflon na patelni wygląda na czarny, więc dziękuję przy okazji za powiedzenie, że to nie ten teflon, to ten klej.

AS: Ja przeżyłam ten sam szok i stwierdziliśmy, no ale jak to jest teflon, jak to jest białe? Może jakiś inny materiał, na przykład polietylen, też swoją droga dobry terahercowo, o dużej gęstości, też jest bardzo przezroczystym materiałem. Są jakieś tam opcje, żeby używać kwarcu, szafiru, ale one mają już wyższy współczynnik załamania i tutaj dochodzimy do czegoś takiego, że materiały optyczne dzielą się na troszeczkę na różne kategorie w zależności od tego, jaki mają współczynnik załamania. Ja jestem optykiem, więc trochę tutaj muszę włożyć od siebie. Szkło dla światła widzialnego, to jest współczynnik załamania, to jest współczynnik półtora. Ono odbija około 4% i teraz im wyższy mamy współczynnik załamania, tym więcej mamy tych strat odbiciowych pomiędzy przejściem z powietrza do szkła. W przypadku takich zastosowań optycznych, nakładamy warstwy antyrefleksyjne właśnie po to, żeby jak najmniej się odbijało. Różne są zastosowania i jakby idee, które przyświecają po co nam te warstwy antyrefleksyjne. O ile w przypadku światła widzialnego, to my chcemy mieć na okularach warstwy antyrefleksyjne, żeby nie widzieć wszystkich odbić światełek i rzeczy, które nas mogą rozpraszać, tylko żeby dobrze widzieć. W przypadku teraherców, materiały optyczne zaczynają mieć wyższy współczynnik załamania, czyli te struktury zaczynają coraz więcej odbijać na tej pierwszej powierzchni. Skoro odbijają to znaczy, że my to promieniowanie tracimy. Złotym standardem, który jest niedościgniony pod wieloma względami jest krzem. Teraz dlaczego. Krzem jest tragiczny pod względem współczynnika załamania, bo ma powyżej 3,4. Około. To sprawia, że połowa się odbija na wejściu do materiału. Czyli na przykład jest to idealny bleem splitter, czyli dzielnik wiązki. Połowa się odbija, druga połowa przejdzie. Jeżeli my z tego krzemu robimy soczewkę i połowa nam się odbija, to jest dla nas połowa straty. Możemy zastosować takie pokrycie antyrefleksyjne dla tego krzemu, jeżeli na przykład się używa ablacji laserowej i to na przykład właśnie grupa, z którą współpracuję w ramach tego grantu, oni takie rzeczy robili. Krzem z jednej strony wymaga takich pokryć antyrefleksyjnych, ale z drugiej strony jest bardzo ciekawym materiałem, ponieważ ma bardzo równy współczynnik załamania dla całego promieniowania terahercowego. Czyli nie mamy problemu tak de facto w tworzeniu optyki dla tych mniejszych częstotliwości i większych. Jest bardzo, bardzo przezroczysty również dla całego zakresu. Także pod tym względem wyznacza taki złoty standard, ale pod względem tych odbić, jest pole do poprawy.  Jednak krzem jest bardzo często stosowany, właśnie ze względu na przezroczystość i ten równomierny rozkład współczynnika załamania. Bardzo mało osób z tego grona terahercowego jest przyczajonych do tego, że można zastosować inną niż krzemowa. To jest takie pole do...

DA: Myślę, że mało kto wie, że mogą być soczewki papierowe.

AS: Z soczewkami papierowymi wiąże się historia, ale też mało osób wie, że mogą być inne soczewki. Nie tylko takie krzemowe. Te plastiki też są przezroczyste, ale jednak nie mają takich strat odbiciowych. Tutaj też trzeba oddać honor naszym soczewką krzemowym, które pod względem swojej przezroczystości i tak naprawdę braku dyspersji, są niezastąpione i są bardzo przezroczyste dla tych wyższych teraherców. W przypadku niższych częstotliwości terahercowych plastiki mogą być dużo efektywniej wykorzystane. Teraz, jak robimy nasze elementy optyczne, które są gdzieś pomiędzy. Mogą być albo zwierciadłami albo zwykłymi takimi soczewkami refrakcyjnymi, albo soczewkami dyfrakcyjnymi. Są trzy typy elementów i wiadomo, że jeżeli pracujemy dla różnych zakresów częstotliwości, to taka optyka zwierciadlana jest niezastąpiona. Bo jak to już raz ustawimy, to zawsze działa. Aczkolwiek ustawianie jest ciężkie. Bo nie dość, że tutaj w terahercach nie widzimy.

DA: Nie da się puścić gazu z zadymiarki i podejrzeć, którędy idzie wiązka.

AS: Tak. Niezastąpione w przypadku optycznych rzeczy są zawsze wszelkie karteczki, żeby śledzić, gdzie ta wiązka biegnie, ale to co jest siłą optyki zwierciadlanej to jest to, że się ustawia na wiązce takiej widzialnej, a potem się wprzęga...

DA: Podmienia się źródło, a wszystko idzie tak samo?

AS: Tak. To jest zaleta takiej optyki zwierciadlanej. Niestety, jest to w sumie trudne w justowaniu, w porównaniu z taką optyką refrakcyjną, czy dyfrakcyjną. Tam dużo łatwiej, szybciej można ustawić układ. O ile do układów takich na zwierciadłach, przeważnie używamy wiązki widzialnej, żeby zobaczyć jaki jest bieg wiązek wokół i gdzie nam się, gdzie skupia, to w przypadku soczewek jesteśmy w stanie to ustawić tak jakby „na czuja”. Zrobić skan, w konkretnej płaszczyźnie, sprawdzający, czy działa. Tutaj jest dużo większa swoboda działania. Są też takie soczewki, które są przezroczyste i dla pasma terahercowego i widzialnego, ale takich materiałów dużo nie ma. Tutaj raczej nie należy się przywiązywać do tego, że te soczewki będą działały dla dwóch zakresów promieniowania, widzialnego i terahercowego. Tworząc jakiekolwiek układy optyczne w przypadku tego projektu, wykorzystaliśmy i zwierciadła i soczewki. Aczkolwiek to był taki jeden z pierwszym projektów, gdzie elementem głównym nie był jakiś element optyczny, który badamy i który ma coś robić. Tylko była to metoda obrazowania.

DA: Do tego właśnie chciałbym nawiązać. Po co właściwie to wszystko? Co te teraherce nam dają i jakie są takie ogólne, dotychczasowe zastosowania? Co wy wymyśliliście jako nowe zastosowanie?

AS: Zastosowania są ogólnie różne. Pierwsze takie zastosowania były raczej w dziedzinie astronomii. Dużo jest rzeczy, które świeci jakby w terahercach, bądź gdzieś obok, aczkolwiek jest to taka... jedno pole z wielu, których można zastosować promieniowanie terahercowe, bądź coś z niego uzyskać. Od dłuższego czasu wiadomo, że promieniowanie terahercowe jest niejonizujące, bo jest zupełnie nie tej części. Te energie są niskie. Także bardzo duży nacisk naukowy był z tego, żeby móc obrazować coś związanego z człowiekiem, żeby jakoś zastąpić to promieniowanie rentgenowskie, które nie jest dla nas obojętne.

DA: Byłem kiedyś służbowo w Moskwie. Prowadziłem warsztaty dla Uniwersytetu Dzieci i właśnie wracając, na Szeremietiewie pan mnie poprosił, abym wszedł do takiego kontenera i nagle tam podniósł ręce do góry i dookoła mnie przejechała maszyna. Strasznie się zdziwiłem, że tak normalnie, jak trzeba się prześwietlić, to trzeba coś podpisać, wyrazić zgodę, powiedzieć, czy się nie jest w ciąży. Chociaż po mnie to się raczej nie spodziewali. Pytam, czy to takie jonizujące. Pan mi powiedział, że „нет”, ale nie chciał zdradzić szczegółów. Dopiero potem się dowiedziałem, że to właśnie były teraherce. One już są, rozumiem, w użyciu?

AS: One są w użyciu, ale to są niskie częstotliwości. Skanery używane na lotniskach i nie tylko, ale powiedzmy, że takie skanery używane w celach ochronnych, to są takie częstotliwości poniżej stu gigaherców.

DA: Nieortodoksyjne.

AS: Tak, takie nieortodoksyjne teraherce. Zdecydowanie. Dużo jest takich firm, które produkują takie portale, czy  nawet takie skanery, właśnie takie obrotowe.

DA: Tak. Bo ubranie jest przezroczyste, ale ciało człowieka, czyli woda jest nieprzezroczysta. Tutaj widzimy dobrze powierzchnie ciała, czy schowany pod przezroczystym ubraniem pistolet, czy coś innego. Pamiętam, że była awantura o to, że to zbyt dobrze widać detale ciała pod ubraniem i tutaj były concerns w tym zakresie.

AS: Był to problem. Fakt, faktem, że to są malutkie, malutkie teraherce. Powiedzmy, trochę to w zasadzie bardziej gigaherce, ale to co tutaj wspomniałeś, że jakby promieniowanie terahercowe nie przechodzi przez wodę. To jest dużo problem. To znaczy problem i nie problem. Akurat w tym przypadku, gdy my nie chcemy wnikać tam w ciało człowieka, tylko chcemy zobaczyć, czy tam jest ukryty pistolet albo nóż, albo co tam jest pod kurtką i tutaj faktycznie są takie zastosowania, powiedzmy w tym dziale ochrony i obronności. Drugim takim zastosowaniem w tej kwestii, to robię takie małe wtrącenie, jest możliwość wykrywania materiałów wybuchowych. Jeżeli chodzi o całą rodzinę, taką powiedzmy bardziej wojskowo-obronną, to materiały wybuchowe mają piki absorpcyjne właśnie w terahercach. Ale znowu tych wyższych. Najmniejszy pik absorpcyjny jest chyba dla heksogenu, tam 0,8  teraherca, a potem 2 i wyższe teraherce. Tutaj też była bardzo duża chęć możliwości zdalnej detekcji materiałów wybuchowych. Nie jest to takie proste. Dużo da się zrobić, ale nie są to takie rzeczy, które są bardzo, bardzo proste. Na przykład mieszanki różnych materiałów wybuchowych już się robią trudne do wykrycia.

DA: Rozumiem, że mówimy spektroskopii, więc fajnie jeśli mamy dostęp do próbki, ale jeżeli ona będzie schowana za płaszczem wodnym, to jej fizycznie już nie zobaczymy.

AS: Też tą główną wadą w tym przypadku jest to, że ta woda jest nieprzezroczysta. To znaczy para wodna jest wszędzie wokół nas, wydawałoby się, że te teraherce są taką dziurą, gdzie już nie można emitować, detekować, to jeszcze woda jest nieprzezroczysta. Okazuje się, że nie jest tak źle. Są różne okna transmisyjne w zakresie terahercowym, gdzie mamy dosyć dobrą transmisję. Nawiązując do tych okien transmisyjnych, możemy przeskoczyć do tematu takiej trochę telekomunikacji, nie super daleko zasięgowej. Bo o ile możemy coś przesyłać szybko w pomieszczeniu, bo zakładamy, że jakieś tam przyszłe 6G, to przyszłością mogą być właśnie teraherce. Też powiem, że od tego roku realizuje projekt na takie optyczne przesyłanie sygnałów w różne miejsca, żeby było szybciej. Nie skupiam się, jak w tym projekcie, na emisji, detekcji tylko na tej części pomiędzy, żeby można było zmultipleksować sygnał, przesłać go i potem odmultipleksować, żeby było po prostu szybciej. Ale to jest taka komunikacja blisko zasięgowa. W ramach takiej ciekawostki a propos właśnie tych okien transmisyjnych jeszcze, na jednej z konferencji w Dunkierce przez kanał była taka transmisja, jakby wideo pomiędzy jednym brzegiem, a drugim. To szło terahercowo.

DA: Już nie pytam, czy w 4K, czy w 1080p. Już sam fakt pokazuje, że można przesłać duże ilość danych.

AS: I to w miarę fajnie zadziałało. To było takie bardzo zjawiskowe. Jednak mimo tej dziury terahercowej, to się działo. To było obecne i ta transmisja faktycznie była. Skacząc teraz dalej w zastosowaniach, bo już mamy tak de facto jakieś tam, takie działania...

DA: Widzimy, że wcale nie jest taka luka.

AS: Nie jest. Na początku była taka luka, ale tak de facto to bezpieczeństwo i materiały wybuchowe, mamy telekomunikację. Też ze względu na to, że nie jest jonizujące, to jest taki bardzo silny trend w te zastosowania biologiczne i medyczne.

DA: Tu płynnie przechodzimy do współpracy polsko-litewskiej, czyli warszawsko-wileńskiej. Czyli przechodzimy do tego grantu FOTECH-1, jak się domyślam.

AS: FOTECH-1 faktycznie jest realizowany we współpracy. Chęci są z dwóch stron. W samym FOTECHu bardziej skupiamy się na układach optycznych i na tym jak możemy zobrazować różne próbki, ale teraz tak. Tymi próbkami, podobnie jak w moim grancie, który poprzednio zaczęłam realizować. W tamtym grancie opracowaliśmy próbki, które imitują skórę dla światła terahercowego, dla promieniowania terahercowego. To, że coś jest dobrym symulantem skóry dla widzialnego, to wcale nie znaczy, że w terahercach wygląda podobnie. Udało nam się opracować jakąś substancję, taką troszkę galaretkopodobną, która dla promieniowania terahercowego jest podobna do skóry i można sobie na niej robić testy. Pytanie, dlaczego nie od razu, jeżeli chcemy działać na rynku medycznym, dlaczego nie od razu na przykład tkanka ludzka już nawet. Co by było naturalne. Też dla mnie było naturalne, ale po różnych dyskusjach, z różnymi instytucjami okazuje się, że jest więcej problemów niż, takich organizacyjnych, administracyjno-organizacyjnych.

DA: Jako fizyk medyczny mogę powiedzieć, że mi się udało zdobyć zgodę Komisji Bioetycznej przy Centrum Onkologii na prowadzenie badań do pracy inżynierskiej jednej z inżynierantek, ale to były trzy miesiące wycięte z jakichkolwiek badań. Oczywiście, pomijam tutaj fakt, że skóra ma swoje właściwości przez pewien czas, póki jest żywa. Pewnie dochodzi jeszcze wielu innych problemów. Widziałem takie substytuty do takich eksperymentów, akurat z jonizującym. Ktoś szedł do mięsnego i kupował nogę świni. Ale znowu. W laboratorium to jest problem. Wy do skóry dojdziecie, ale na razie samą aparaturę rozwijacie.

AS: Tak. Chodzi o to, że ta próbka, czy ona będzie żywa, czy nieżywa. Wiadomo, że takie tkankowe rzeczy i związane z ciałem człowieka, takim już w postaci jakiegoś preparatu, to są jedne zgody różnych komisji. Takie badania na ludziach to już są zgody zupełnie innych komisji. Ale to też trzeba dobrze opracować całą metodykę badań, już samych nawet na pacjentach. To nie jest zadaniem naukowca. To już, z całym szacunkiem, ale to jest już ktoś kto musi w tym pomóc, żeby do tego doszło. Tak naprawdę ważny jest ten układ, który tworzymy.

DA: On musi być gotowy do użycia skóry.

AS: Bez sensu tamtej skóry sobie wycinać.

DA: Ja czytałem, że wam się udało. Zrobiliście dwa różne układy. Jeden bazuje na metodzie kontrastu fazowego, a drugi na metodzie pola ciemnego. Czym one się różnią i jak w takim razie je skonstruowaliście?

AS: To są układy terahercowe. Obie optyczne metody są dobrze znane. To nie są jakieś nie wiadomo jakie dziwności, jeżeli chodzi o optykę. My konstruując układ optyczny, który ma płaszczyznę obiektową, jedną lub dwie soczewki płaszczyzny obrazowej, ma pomiędzy sobą coś co się nazywa płaszczyzną Fourierowską. Ponieważ ja i uczę i jestem naukowcem, więc można powiedzieć, że tak jakby mamy możliwość w układzie optycznym zabrania pewnej ilości informacji. Jeżeli kiedyś będziemy chcieli przedyskutować dokładnie co to jest płaszczyzna Fourierowska i dlaczego jest fajna i co tam można zabrać i jak można, jak to działa, to bardzo chętnie. Tutaj w tych terahercach, może nie jest to bardzo istotne, to pominiemy ten temat. Chodzi o to, że w układzie optycznym możemy w jednej konkretnej płaszczyźnie wstawić na przykład właśnie jakiś filtr, żeby zabrać, bądź zmienić promieniowanie, które potem stworzy obraz. Jest to na tyle istotne, że jeżeli mamy, jako nasz obiekt, coś to jest przezroczyste, nieprzezroczyste dla danego typu promieniowania, to potem detektor, który detekuje natężenie widzi, że tutaj było jasno, tu było ciemno. Wiadomo, jest obrazek. Tu było bardziej przezroczyste, tam nie było. W przypadku obiektów, które są bardzo, bardzo przezroczyste. Na przykład takimi obiektami tutaj, w świetle widzialnym, były bakterie albo jakieś tam różne biologiczne preparaty, które jak się patrzy pod mikroskopem, to w zasadzie jest jasno i jasno. W zasadzie to nic nie widać. Wtedy właśnie powstała chęć wykorzystania tego filtrowania w układzie optycznym, żeby te obiekty, które są przezroczyste móc jednak w jakiś sposób zobaczyć. Taką metodą jest, najprostszą chyba, metoda Schlieren. Zasłaniamy połowę tego co ma nam przejść.

DA: Ta metoda znana z tego, że się zapala zapalniczkę. Do zrobienia prawie, że w domu.

AS: Też taką prostą metodą, prawie do zrobienia w domu, jest metoda pola ciemnego. Wstawiamy, zamiast zabrać połowę płaszczyzny, odfiltrować, to odfiltrowujemy sam środek. Po prostu zwykłym czymś co blokuje nam dany typ promieniowania. Zaczęliśmy od widzialnego, w przypadku tego projektu terahercowego. W przypadku teraherców, na przykład folia aluminiowa jest znakomitym absorberem, bo jest metalem. Dosyć dobrze nadaje się do wysyłania niepotrzebnych wiązek. Też niestety odbija, ale nie można mieć wszystkiego. Teraz, jeżeli chcemy zobrazować coś co jest przezroczyste, to właśnie, czy taka metoda Schlieren, czy metoda pola ciemnego, zabierają nam część promieniowania i dzięki temu możemy uzyskać obraz zarejestrowany jako natężenie światła tego czegoś co było przezroczyste. Ale to coś, ten nasz obiekt, musi spełniać pewne założenia. Jeżeliby byłby idealnie jednorodny, to my byśmy nie zobaczyli żadnego obrazu. Tak jak powiedziałeś, mieliśmy zapalniczkę. Ten gaz, który się wydostaje z zapalniczki, pali się i my potem widzimy takie kłęby powietrza. Teraz ciepłe powietrze w różnych miejscach ma różny współczynnik załamania. Czyli podgrzewając to powietrze, zmieniamy współczynnik załamania.

DA: Bo lokalnie zmieniamy gęstość na skutek ruchu.

AS: A dla mnie zmieniamy tak naprawdę fazę, czyli przesuwamy, niestety, część promieniowania. To znaczy, jak każdy typ promieniowania, tak w gwoli takiego wkrętu co to jest amplituda i faza, bo my widzimy natężenie. Wszystko co my widzimy, to tak naprawdę widzę, czy jest jasno, czy ciemno i to jest dla nas wszystko i większość detektorów też tak widzi. Światło jest trochę bardziej skomplikowane, bo ma i amplitudę i fazę. Amplituda mówi nam, w skrócie, czy jest jasno, czy ciemno, a faza skąd coś pochodziło. Czyli jeżeli my zmienialiśmy tutaj, w tej naszej zapalniczce, współczynnik załamania, czyli nam się inaczej uginało to promieniowanie widzialne, czy potem jakieś inne. Dzięki temu właśnie w tej fazie odczytujemy różnice co tam się działo. Jeżeli coś jest przezroczyste, czyli wszędzie w amplitudzie będzie równe jeden, ale te zmiany tej fazy, czyli tego współczynnika załamania, mówią nam o tym, że tam jednak coś jest. Czy tam to będzie jakiś preparat biologiczny, czy zapalniczka, to my to będziemy w stanie zobaczyć. To jest właśnie piękne w tych metodach filtracji, ponieważ jest sporo materiałów, które są dosyć dobrze przezroczyste dla teraherców, ale jednak chcielibyśmy zobaczyć, czy da się zrobić właśnie takie obrazowanie, w tym przypadku albo cienkich warstw, które wprowadzają małe opóźnienia fazowe albo w przypadku czegoś co jest bardzo przezroczyste, a chcemy sprawdzić, czy jest coś w środku, to zdecydowaliśmy się użyć tych metod filtracji. One się ładnie nazywają metodami filtracji przestrzennych. Mamy dwie metody. Takie najprostsze. Metodę Schlieren i metodę pola ciemnego. Po prostu blokujemy kawałek promieniowania. Metoda kontrastu fazowego, to jest taka, którą wykorzystuje się w mikroskopach. Jest mikroskop kontrastu fazowego i za nim stoi nazwisko Fritas Zernike. Jest często wykorzystywana (metoda). Różni się tym, że zamiast blokować część promieniowania, to wprowadzamy takie opóźnienie fazowe, czyli sprawiamy, że część promieniowania, taka która przechodzi przez próbkę wprost, jest inaczej opóźniona niż te wszystkie szczegóły. Dzięki temu możemy zobaczyć te wszystkie detale, szczegóły, te wszystkie zmiany. Jest o tyle lepsza, że łącznie przechodzi nam więcej światła, więc ten obraz jest jaśniejszy. Metoda pola ciemnego, jak się sama nazywa, wycina większość.

DA: Tak samo w metodzie Schlieren wycinamy połowę obrazu, który, już wcześniej rozmawialiśmy, że tu się odbił, tu go straciliśmy. A jaki jest dodatkowy problem z cienkimi warstwami?

AS: W przypadku tutaj terahercowym mamy wiele problemów optycznych. Ta optyka trochę inaczej działa. Jeżeli mamy coś co jest albo cienkie, albo przezroczyste, to nie możemy tego zobrazować. W tym projekcie właśnie były pierwsze próby zrobienia czegoś, żeby móc zobrazować coś cienkiego i przezroczystego. W ogóle, jeżeli chcemy iść w tym kierunku, to dla mnie w tym momencie takim kluczowym parametrem, który jest wielkim problemem, jeżeli chodzi o pracę z promieniowaniem terahercowym nie mamy wystarczająco dużych elementów. Bo zakładając, że chcemy uzyskać obraz, musimy mieć obiekt. Ten obiekt nie jest maleńki. Tylko ten obiekt jest duży. W pewnym momencie okazuje się, że skoro nasz obiekt jest 5 na 5 cm, czy 10 na 10 cm, to nasz obraz będzie podobny. Możemy go trochę przeskalować, ale to co jest pomiędzy, ten układ optyczny, musi mieć w tym momencie średnicę 10 i powyżej. Żeby to jakoś działało. To są właśnie zderzenia pomiędzy pracą w różnych zakresach częstotliwości, bo zderzeniem takiego optyka światła widzialnego, wchodzącego w promieniowanie terahercowe jest to, że oni mają ustawiony układ, na przykład na zwierciadła o średnicy 5 cm.

DA: To to jest nieskończenie wiele w porównaniu do kilkuset nanometrów długości tego światła.

AS: Tak. To znaczy mamy to dla światła widzialnego, tak 500 nanometrów, 5 centymetrów. Jest spora różnica. A tu mamy milimetr i 50 milimetrów, to jakby... Pinhole to jest 20 mikrometrów, czyli to tak jakbym miała pół mikrona długość fali i 20 mikronów. To to jest tak mniej więcej 40 długości fali. A tu całe zwierciadło ma 50. Co my tam obrazujemy? Obserwujemy jakieś dziwne jej treści, jakieś dyfrakcje. W sumie ciężko to nazwać układem obrazującym. A jak ktokolwiek teraz sobie wstuka obrazowanie terahercowe w internecie, to zobaczy piękne obrazy, ładne, z dobrą rozdzielczością. Dlaczego się da? Potrzeba matką wynalazków. Jak nie było dużych elementów optycznych, na przykład zwierciadło miało 5 lub 10 cm. Chcieliśmy zobrazować coś co jest większe.

DA: Takie wzięcie hali i zrobienie soczewki mającej pół metra, metr. Ale rozumiem, że nie tędy droga, jeżeli chodzi o miniaturyzację i o koszty. Jaki był inny pomysł?

AS: Jeżeli chodzi o miniaturyzację i koszty, fakt. Tym pomysłem był zrobienie, ja to tak nazywam, obrazowanie z punktu w punkt. Naukowcy terahercowi bardzo szybko wpadli na pomysł, że skupią coś na próbce i to skupione promieniowanie potem będzie skupione na detektorze i oni będą skanować próbkę, po prostu poruszając próbką, a ten cały układ jest malutki. Takie podejście jest super. Daje i precyzję i bardzo dużo tych detali możemy uzyskać za pomocą promieniowania terahercowego. Ale nie nadaje się do filtracji. Bo nie mamy wtedy tej płaszczyzny, w której filtrujemy. Kolejnym krokiem było to, że skoro układ jest mały, nie da się zrobić takiego obrazowania płaszczyzny w płaszczyznę, w pełnym tego słowa znaczeniu. Aby móc w ogóle zrealizować takie podejście, jak tutaj zostało zaproponowane, to wykorzystaliśmy właśnie ten układ, wykorzystujący zwierciadła. Po to by móc zobrazować, ale po to by móc wyfiltrować w odpowiednim miejscu, to został utworzony układ obrazujący, na podstawach optyki, najprostszy pilotażowieć, że mamy w odległości ogniskowej pierwszą soczewkę, później mamy tę płaszczyznę, w której filtrujemy w ognisku tej pierwszej soczewki. Potem jest kolejna odległość ogniskowa, jest druga soczewka i F dalej powstaje nam obraz. To jest tak zwany układ 4F. Te wszystkie odległości 4 są równe ogniskowej. W tym momencie mamy płaszczyznę, gdzie możemy filtrować, ale dalej mamy małą aparaturę. To co tutaj zaproponowaliśmy w tym przypadku, że możemy wykorzystać obrazowanie tylko środkową częścią i po prostu przesuwać próbkę. Czyli zrobić tak jakby hybrydę pomiędzy tym światłem widzialnym, bo my jednak chcemy z płaszczyzny w płaszczyznę, ale ze względu na aparaturę naszego układu nie możemy. Zaczęliśmy skanować tą próbką. Tutaj pojawiają się pewne problemy. W przypadku, gdy blokujemy promieniowanie, to matematycznie jest to uzasadnione, że możemy przesuwać płytki. W przypadku, gdy stosujemy metodę kontrastu fazowego, to ona daje nam lepsze rezultaty niż takie obrazowanie zwykłe, ale nie działa w 100% poprawnie. Przesuwając płytkę, zmieniamy fazę w tej płaszczyźnie, w której filtrujemy. To nie jest matematycznie poprawne. Dlatego kolejnym etapem będzie zbudowanie takiego układu z ogromną soczewką albo ogromnym zwierciadłem. Tu będzie ukłon w kierunku druku 3D.

DA: Żeby tylko znaleźć dość dużą drukarkę.

AS: Właśnie nie.

DA: Można składać z części?

AS: Tak. To rozwiązuje problem. Właśnie ostatnio rozmawialiśmy w tej warszawskiej grupie, żeby właśnie drukować kawałkami takie ogromne soczewy i spróbować właśnie zobaczyć, czy to da oczekiwany wynik i rezultat. Takim podłożem tutaj w rozwoju tych wszystkich metod jest możliwość obrazowania próbek, które są spokrewnione ze skórą. Jeżeli by się tak udało zrobić, że da się zrobić urządzenie, które będzie nam pomagało różnicować tkankę zdrową od nowotworowej, to wtedy to takim marzeniem będzie to, że będzie można w aptece, czy gdzieś, postawić wielkie pudło, nawet jak nie będzie malutkie, tylko trochę większe. Ktoś przyjdzie, przyłoży rękę, łokieć, czy co tam ma, że tak powiem, do zbadania i będzie mógł zobaczyć wynik: „Idź do lekarza” lub „Wszystko jest ok”. Nadzieja jest taka, że w zakresie różnych promieniowań tkanki nowotworowe w sumie są bardzo dobrze widoczne i rozróżnialne w tym zakresie terahercowym. Bardzo dużo badań było robionych na nowotworach różnych wewnętrznych narządów i te nowotwory były wycinane albo jakieś fragmenty były.

DA: Histopatologia.

AS: Tak i histopatologia i też takie obrazowanie, że jest tam kawałek jakiegoś mięśnia, tłuszczu i jakiś fragment jest zmianą nowotworową. W terahercach to było widać. Była taka jedna publikacja, która pokazywała obrazowanie dla różnych zakresów częstotliwości, porównanie z takim wycinkiem histopatologicznym. Na mnie jako na nie medyku i nie biologu, zrobiło to wrażenie. Także jest szansa gdzieś w tych terahercach, coś zaproponować. Na razie jest to jeszcze pieśń przyszłości pod tym względem, że i te źródła są dosyć drogie i technologia jest jeszcze nie do końca opracowana, ale właśnie dzięki tego typu projektom mamy szansę sprawdzić, czy to dobrze zadziała, czy będziemy w stanie do zróżnicować. Jeżeli będziemy w stanie, wtedy jest to podstawa do tego, żeby iść dalej w tym kierunku.

DA: A czy ja dobrze widzę, że na ten temat bawicie się post-itami?

AS: Tak. Bawimy się post-itami, ponieważ papier jest dobrze przezroczysty dla teraherców. Nawet na początku wspomniałam, że to wszystko może być z papieru. Może być, ponieważ papier ma współczynnik załamania dosyć podobny, jak szkło dla światła widzialnego. Oczywiście, nie jest super przezroczysty, ale jest bardzo łatwy w produkcji. Post-ity są tanie, ale nawet jakbyśmy chcieli zrobić skomplikowaną soczewkę, również nie jest to super drogie. Na to kiedyś wpadliśmy z moim mężem będąc na naszym pierwszym wyjeździe terahercowym. Ktoś tam włożył jakiś papier. O ile światło widzialne nam blokował, to te teraherce nie za bardzo. Tak patrzymy, że jak się włoży kartkę papieru to tak nie blokuje. Okazało się, badając właściwości papieru, że jest w miarę przezroczysty, a ma dobry współczynnik załamania. Będą rok później po ślubie stwierdziliśmy, że można byłoby wyciąć soczewkę z papieru. Na przykład: jak nam zaproszenia ślubne wycinali w jakieś takie finezyjne wzory i robią jakieś koronki, czemu by to nie mogła być soczewka. Właśnie firma produkujące zaproszenia ślubne zgodziła się nam wydrukować soczewki. Także bardzo fajnie podeszli do sprawy. Bo zrobili zamówienie niestandardowe. Stąd się w ogóle wziął pomysł, że papier jest przezroczysty. W przypadku tutaj tych badań, śmiesznie wyszło bo faktycznie post-ity, ponieważ są przezroczyste, a ponieważ wprowadzają różny współczynnik załamania, to bardzo łatwo było zrobić taką strukturę schodkową. Tak jedna, dwie, trzy, cztery kartki papieru i zobaczyć jak to będzie wyglądało. Czy będziemy mogli zróżnicować, gdzie było ile karteczka.

DA: Pytanie co dalej? Co dalej w tym grancie albo w następnych?

AS: W tym grancie bardzo jeszcze chcielibyśmy zrobić takie obrazowanie w dwóch różnych polaryzacjach. Jedna taka odnoga to jest robienie tych większych elementów, a druga odnoga jest taka, aby umieć zobrazować próbkę, również w odbiciu i to nie jest takim problemem pod względem optycznym, ale spróbować zrobić obrazowanie dla dwóch różnych polaryzacji. Wtedy możemy uzyskać więcej informacji o strukturze tej naszej próbki. W przypadku takich badań, powiedzmy bardziej medycznych może dawać dużo lepsze wyniki, rezultaty. To jest taki mały kroczek, który chcielibyśmy jeszcze zrobić. Czekam na koniec naszej pandemii, żeby można było jednak pojechać do laboratorium. Zupełnie inaczej się pracuje, jak jesteśmy razem w jednym laboratorium. Jednak mimo wszystko, to jest takie sztampowe określenie, że taka synergia pomiędzy dwoma jednostkami, ale w tym przypadku tak jest. To jest naprawdę bardzo dużo pomysłów i taka szybkość poprawiania, ustawiania tego układu jest niesamowita.

DA: Właśnie chciałem zapytać skąd w ogóle to Wilno? Jak zawiązała się współpraca?

AS: Wiadomo, że takie kontakty naukowe biorą się gdzieś z konferencji. Wiadomo, że taki wyjazd na konferencję wiąże się z tym, że profesorowie i doktorzy i studenci z danej jednostki jadą i wymieniają kontakty, poznają się jedni z drugimi. To co ja zawsze powtarzam, że na konferencjach najważniejsze są przerwy na kawę. Wtedy ta więź międzyludzka może zostać zawiązana i bardzo wiele takich pomysłów, możliwości współpracy właśnie zostało omówionych na konferencji, która była swego czasu w Warszawie, z panem profesorem Valusisem, który jest szefem tego centrum w Wilnie. No i to była przerwa na kawę. Potem się umówiliśmy na przerwę lunchową, żeby trochę więcej omówić. To jest bardzo duża wartość dodana i również w takich projektach IDUBowych powinien być kładziony nacisk na to, żeby jednak ta interakcja dwóch stron nie była tylko wirtualna.

DA: Że jednak nic nie zastąpi spotkania.

AS: Ja rozumiem, że nie wszyscy mają takie same zaplecze aparaturowe, więc czasami warto jest pojechać w jedną albo w drugą stronę, ale te spotkania są według mnie niesamowicie istotne.

DA: To trzymajmy kciuki, żeby jak najszybciej sytuacja wróciła do normy. Ja ci bardzo serdecznie dziękuję za rozmowę. Jeszcze raz przypomnę, że rozmawialiśmy z dr inż. Agnieszką Siemion z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, laureatką grantu badawcze FOTECH-1.