1_Отзыв_оффициального_оппонента_В.В._Попов_на_диссертацию_К.И._Зай (Метод исследования диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей в терагерцовой импульсной спектроскопии)

В лиссе1ттанионнмй совет Д 212.14! .19 пои МГТУ им. Н.Э. Баумана ОТЗЫВ официального оппонента доктора физико-математических наук, профессора Попова Вячеслава Валентиновича, на диссертацию Зайцева Кирилла Игоревича «Метод исследования диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей в терагерцовой импульсной спектроскопии», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.1!.07 — "Оптические и оптико- электронные приборы и комплексы'" Актуальность аботы В настоящее время методы терагерцовой диэлекгрической спектроскопии широко используются для решения задач фундаментальных и прикладных исследований, в частности, для изучения пикосекундной динамики газов и конденсированных сред (кристаллов, жидкостей и стекол).

Исследование физических характеристик различных сред с помощью терагерцовой диэлектрической спектроскопии неразрывно связано с решением обратных задач спектроскопических исследований — задач восстановления частотной зависимости диэлектрической проницаемости образца на основе обработки сигналов спектрометра с ее последующим анализом. Точность восстановления диэлектрической проницаемости образца во многом зависит от используемого метода исследований, причем особые трудности связаны с измерени~м сильно поглощающих (непрозрачных) сред, диэлектрическая дисперсия которых оценивается на основе анализа спектра электромагнитной волны, отраженной от поверхности образца.

Данная проблема, например, встречается при исследовании тканей организма человека и при создании методов диагностики сильно поглощающих сред на базе терагерцовой диэлектрической спектроскопии. Отмеченное позволяет заключить, что тема диссертации К.И. Зайцева, связанная с разработкой метода исследования диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии, является актуальной.

К аткоесо е жанне аботы Диссертационная работа К.И, Зайцева состоит из введения, трех глав и заключения. Во введении автор обосновывает актуальность выбранной темы, ставит цель и формулирует задачи диссертационной работы. В первой главе "Анализ методов терагериовых спектроскопических исследований" автор проводит обзор современного состояния исследований в области терагерцовой диэлектрической спектроскопии, рассматривая существующие инструменты диэлектрической спектроскопии в терагерцовой области спектра, а также результаты исследований для биомедицинских приложений.

Проведенный обзор позволяет автору провести сравнительный анализ методов терагерцовой диэлектрической спектроскопии и выбрать из них тот, что наиболее подходит для исследования биологических тканей, — метод терагерцовой импульсной спектроскопии. Во второй главе "Моделирование процесса взаимодействия терагериового иигпльсного излучения с силыю поглощающила средами и биологическими тканями т Ию" автором предлагаются подходы к построению физико-математических моделей описания процессов взаимодействия терагерцового импульсного излучения с материальными средами, обладающими существенной дисперсией диэлектрической проницаемости и высоким коэффициентом поглощения.

Предлагается подход к математическому моделированию взаимодействия терагерцовых импульсов с пространственно-неоднородными средами произвольной геометрии, основанный на конечно-разностном методе численного решения уравнений Максвелла. Данный подход применяется для исследования возможности дифференциации здоровых и пораженных тканей кожи методами терагерцовой спектроскопии. Предлагается подход к аналитическому описанию распространения терагерцовых импульсов в плоско-слоистых средах, основанный на трассировке комплексной амплитуды электромагнитной волны с учетом, фазового набега, дисперсии, поглощения и деления волнового фронта на границах раздела сред. На основе разработанных подходов к физико-математическому описанию взаимодействия терагерцовых импульсов с дисперсионными сильно-поглощающими средами автором предлагается многоканальный метод восстановления терагерцовой диэлектрической проницаемости.

Отличительной особенностью метода является то, что для восстановления диэлектрической проницаемости используются три сигнала спектрометра — сигнал от образца и два опорных сигнала. Автор анализирует влияние нескольких факторов (число учитываемых волн-спутников, шумы в сигналах спектрометра, нестабильность пространственного положения образца) на точность оценки диэлектрической проницаемости.

Результаты данного анализа позволяют определить допустимые величины искажений сигналов и оценить обеспечиваемую методом точность восстановления диэлектрической проницаемости. В третьей главе "Экспериментальное исследование терагериоеых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей т Ию" на основе терагерцового импульсного спектрометра автор разрабатывает экспериментальную установку для исследования диэлектрических характеристик сильно поглощакнцих сред и биологических тканей с использованием оригинального метода решения обратной задачи.

Автором впервые разработаны и изготовлены образцы сапфировых фотоннокристаллических волноводов для терагерцового излучения. Проведены их теоретические и экспериментальные исследования, свидетельствующие о малых дисперсии и потерях в таких волноводах. Это позволяет использовать сапфировые волноводы для бездисперсионной доставки терагерцовых импульсов к объекту исследования. Разработанный метод и экспериментальная установка применялись автором для терагерцовой диэлектрической спектроскопии тканей здоровой и пораженной кожи человека.

Результаты исследования показали высокую точность регистрации диэлектрической проницаемости. Обеспечиваемая погрешность делает терагерцовые диэлектрические кривые различных биологических тканей статистически различимыми. В качестве примера автор демонстрирует возможность дифференциации обыкновенных и диспластических пигментных невусов на основе анализа их диэлектрической проницаемости в терагерцовом диапазоне. В заключении автор формулирует основные результаты выполненной работы. На чная новизна и п акгическая значимость ез льтатов аботы Научная новизна диссертационной работы заключается в: ° разработке оригинального многоканального метода восстановления частотной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии; е результатах спектроскопии тканей кожи человека, пигментных новообразований ~обыкновенных и диспластическнх невусов), полученных с использование оригинального метода восстановления терагерцовой диэлектрической проницаемости; е предложенных сапфировых терагерцовых фотонно-кристаллических волноводах, позволяющих передавать терагерцовое импульсное излучение спектрометра с малой дисперсией и низкими потерями к объекту исследования.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем. ° Оригинальный метод восстановления терагерцовой диэлектрической проницаемости сильно-поглощающих сред может быть использован для проведения терагерцовой диэлектрической спектроскопии в различных областях науки и техники: изучение свойств новых материалов, спекгроскопия фазовых превращений, разработка новых методов медицинской диагностики, иеразрушающего технологического и эксплуатационного контроля материалов, контроля качества продукции химии и фармацевтики.

° Сапфировые терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы на основе профилированных кристаллов позволяют решить актуальную проблему передачи терагерцового электромагнитного излучения к объекту диагностики и воздействия. По своим характеристикам разработанные волноводы превосходят существующие аналоги (полимерные фотонно-кристаллические и плазмонные волноводы).

Сочетание уникальных свойств сапфира (высокая стойкость к термическим, химическим н радиационным воздействиям) с высокими техническими характеристиками вол поводов позволит использовать их для решения широкого круга задач терагерцовых измерений. Таким образом, результаты диссертационной работы К.И. Зайцева вносят существенный вклад в развитие терагерцовой науки и техники. П блика ии и ап оба ия ез~льтатов аботы Основные результаты диссертационной работы докладывались на 18 международных научных конференциях, симпозиумах, семинарах и научных школах.

Результаты работы отражены в 24 статьях в научных журналах, входящих в Перечень ВАК РФ. Стоит особо отметить наличие нескольких публикаций в таких высокорейтинговых зарубежных журналах как Арр!!ед Рбув!сз Еецегз (импакт-фактор 3,!42), !ЕЕЕ Тгапяасйоп оп Тега!зеггх Бс1епсе апд Тесппо!ой!ез (импакт-фактор 2,298), )ожгла! оГАрр1!ест Роуз!сз 1импакт-фактор 2,101) и Орйса! Епй!пеег!п8 (импакт-фактор 0,984), что свидетельствует о высоком уровне полученных научно-технических результатов. остове ность ез льтатов аботы Результаты работы достоверны. Достоверность обеспечивается корректным применением известных методов физической оптики, вычислительной электродинамики, цифровой обработки сигналов, диэлектрической спектроскопии.

Все допущения, введенные при рассмотрении физических процессов взаимодействия терагерцового импульсного излучения с сильно поглощающими материальными средами и биологическими тканями, являются корректными и правомерными, Хорошая согласованность результатов теоретических и экспериментальных исследований также подтверждает достоверность результатов диссертации.

Не остатки аботы Диссертационная работа К.И. Зайцева не лишена некоторых недостатков. ° В работе автором рассматривается достаточно простая структура сечения фотоннокристаллического волновода. Для этой структуры приводятся как расчетные, так н экспериментальные спектральные потери. Безусловно, потери в таком волноводе определяются как материальными потерями в сапфире, так и потерями, связанными с геометрией сечения волновода. К сожалению„автор не комментирует возможности оптимизации структуры сечения волновода с целью дальнейшего снижения потерь и увеличения рабочего спектрального диапазона, не оценивает достижимых характеристик.