Терагерцовые технологии: спектроскопия, безопасность, биомедицина и неразрушающая диагностика
Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным диапазоном и радиодиапазоном. Оно хорошо проходит через множество материалов. Например, дерево, пластик, керамика для него являются прозрачными.
Эти особенности открывают широкий спектр для практического применения терагерцовых источников. Например, ТГц излучение может использоваться в системах безопасности для сканирования багажа — с его помощью можно обнаружить спрятанные под одеждой металлические, пластиковые и другие предметы.
Кроме того, в отличие от рентгеновского излучения, терагерцовое безопасно для организма человека. Поэтому большую сферу применения терагерцы могут найти прежде всего в медицине, а также в биомедицинских исследованиях. Например, методы ТГц-спектроскопии и визуализации широко применяются в ТГц-биофотонике. Такие разработки позволяют визуализировать компоненты тканей: клетки, микрофибриллы и даже клеточные органеллы (подробнее о методах диагностики и визуализации на основе излучения терагерцового диапазона можно почитать в интервью Ольги Смолянской, руководителя группы фемтомедицины Университета ИТМО).
Источники терагерцового излучения
Благодаря широкой сфере применения большинство современных научных работ в области терагерцового излучения направлено на поиск новых, более стабильных, мощных и эффективных источников.
Сейчас эталоном и самыми распространенными источниками терагерцового излучения служат твердотельные материалы. Хотя существуют также источники на основе лазерной фемтосекундной филаментации в воздухе и газах. Мощный лазерный пучок создает в газовой среде плазму, где происходит ионизация среды, ведущая к генерации электромагнитного терагерцового излучения.
Раньше считалось, что сделать то же самое в жидкой среде нельзя. Полярные жидкости (прежде всего вода) являются сильными поглотителями электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне, поэтому исторически такие жидкости не рассматривались в качестве хороших кандидатов в терагерцовые источники.
Совместное исследование ученых Университета ИТМО и исследователей из Университета Рочестера
В прошлом году международная группа исследователей из Университета ИТМО и Университета Рочестера показала, что жидкостные источники излучения могут быть не менее эффективны, чем традиционные, а также предложила аналитическую модель, описывающую природу этого явления. Кроме того, исследователи показали, что жидкость обладает и рядом преимуществ перед другими источниками, например, газами.
Также в этой работе ученые исследовали, как направлено терагерцовое излучение, получаемое в жидкости. В результате они составили и физически обосновали диаграммы направленности терагерцового излучения в жидкости, а также зависимость направления от угла, под которым излучение накачки падает на жидкую струю.
Какие преимущества имеют жидкости по сравнению с газами и твердотельными источниками
Принято считать, что при филаментации лазерного излучения в газовой среде, эффективность генерации терагерцового излучения определяется плотностью свободных электронов. Количество свободных электронов одной молекулы зависит от энергии ионизации: энергии, необходимой для отрыва электрона с внешней орбиты. Плотность молекул в жидкости гораздо выше, чем в газе, за счет чего сопоставимая энергия накачки позволяет сгенерировать гораздо больше электронов, что приводит к усилению терагерцового излучения. Разница необходимых энергий ионизации накачки в газе и жидкости невелика. Но при этом плотность молекул в жидкости гораздо выше, чем в газе. За счет этого сопоставимая энергия накачки позволяет возбудить гораздо больше электронов и сделать излучение сильней.
По сравнению с твердотельными источниками жидкости имеют ряд преимуществ. Во-первых, они выдерживают большую энергию накачки, что позволяет получить более высокую энергию на выходе. Помимо этого, они более доступны и дешевы.
Что показало новое исследование
Главной задачей ученых остается работа над тем, чтобы решить проблему большого поглощения. Для решения этой задачи в новом исследовании физики из Университета ИТМО работали с оптимизацией типа жидкости, толщиной струи, мощностью излучения накачки, а также с рядом других параметров.
В статье, опубликованной в журнале Optics Express, ученые исследовали эффективность генерации терагерцового излучения в струях жидкости при одноцветной накачке. В работе использовались несколько видов жидкости: вода, этанол, тяжелая вода и ацетон. Такой набор обусловлен тем, что интересующие исследователей параметры у этих жидкостей различаются.
«В этой работе мы предлагаем комплексный подход: в исследовании есть как экспериментальная часть, так и теоретическая апробация. Мы провели исследование различных жидкостей, а также многих параметров как лазерного излучения накачки, так и самой среды генерации, — комментирует Евгения Пономарёва, соавтор статьи, сотрудница лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Университета ИТМО. — В частности, мы проанализировали жидкости с разными параметрами энергии ионизации, плотности, поглощения в терагерцовом диапазоне. По итогам исследования было выявлено, что учет всех параметров важен для повышения эффективности генерации. Эксперимент также подтвердил, что в сравнении с водой ацетон дает большую эффективность на выходе. Даже при первом приближении такой анализ позволяет оценить потенциал использования определенной жидкости для этих целей».
Кроме того, исследователи продемонстрировали в работе, как параметры среды, в числе которых молекулярная плотность, энергия ионизации и линейное поглощение, влияют на эффективность генерации терагерцового излучения в жидкости. Экспериментальные измерения показали, что зависимость энергии терагерцового излучения от энергии импульса накачки имеет квазиквадратичный характер. На практике это показывает более резкий рост терагерцового выхода с увеличением накачки, объясняет Евгения Пономарёва. В дальнейшем ученые намерены продолжить исследования и теоретически обосновать этот аспект.
Также в работе была теоретически предсказана и экспериментально подтверждена оптимальная длительность импульса накачки, зависящая от толщины струи. Полученная эффективность преобразования энергии оптического излучения в терагерцовую составляет более 0,05%, что сопоставимо с величинами, достигаемыми при лазерной филаментации в газовых средах.
Перспективы
В перспективе эти результаты могут быть успешно применены для создания нового альтернативного источника терагерцового излучения. В дальнейших работах исследователи планируют исследовать большой набор различных жидкостей — как полярных, так и неполярных. Закупка необходимых материалов уже идет. В итоге они намерены составить целую базу жидкостей, благодаря которой будет понятно, какие из них имеют потенциал для дальнейшего использования.
Кроме того, в ближайшее время ученые продолжат экспериментально исследовать генерацию терагерцового излучения в различных жидкостях, в том числе в условиях двойной накачки, а также исследовать различные параметры лазерного излучения и продолжать разрабатывать теоретические модели.
В 2019 году исследователи выиграли грант Российского научного фонда (РНФ), рассчитанный на три года. К этому времени авторы проекта планируют собрать установку, которая должна показать хорошую эффективность преобразования, сравнимую с двухцветной филаментацией в газах. Однако работа продолжится и после завершения трехлетнего срока, так как исследователи видят перспективы в развитии этого направления.
«Жидкость — это универсальный и экономичный источник. У нее нет порога разрушения, как, например, в кристалле, поэтому в будущем это может стать повсеместным источником использования терагерцового излучения, — комментирует Евгения Пономарёва. — Сейчас нам важно понимать, как мы можем менять параметры самого лазерного излучения. Мы также ведем работу по изменению длины волны. Есть теоретические предположения о том, что, если мы будем сдвигаться в инфракрасную область, то эффективность преобразования будет в разы больше. Поэтому наш проект не только направлен на изучение самих жидкостей и их свойств, это комплексный подход к тому, чтобы повысить эффективность преобразования в наших экспериментах, а также изучить физику процесса».
