Терагерцовое излучение — это вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Его характерной особенностью является низкая энергия фотона, а также прозрачность многих материалов в данном диапазоне. В отличие от рентгеновского излучения, оно безопасно для здоровья человека и может быть использовано, например, в медицине, где с помощью терагерц исследуют верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров, что очень важно, например, для получения изображения раковых опухолей. Также в настоящее время ведется работа в сфере обеспечения безопасности, контроля качества продуктов питания и лекарственных средств с помощью терагерцового излучения. Кроме того, его используют для сканирования багажа и людей в аэропортах.
Изучением терагерц и их применением занимаются научные коллективы на факультете фотоники и оптоинформатики, в том числе в международной лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий. Одну из последних работ ее сотрудников опубликовали престижном международном научном журнале Scientific Reports.
Главной целью ученых было исследование границ применимости методики Z-сканирования в широкополосном терагерцовом диапазоне. Само по себе Z-сканирование позволяет изучать нелинейные свойства оптических материалов. Ученые помещают исследуемый образец (например, кристалл, чьи размеры составляют максимум сотни микрон) на пути излучения, сфокусированного при помощи собирающей линзы. Затем образец перемещают в пространстве относительно фокуса линзы, что приводит к появлению эффекта самофокусировки, приводящего к изменению расходимости пучка и, как следствие, интенсивности, детектируемого через диафрагму сигнала. В результате получается кривая зависимости детектируемой интенсивности от пространственной координаты исследуемого образца, обладающая ярко выраженными максимумом и минимумом, из величины перепада между которыми становится возможным рассчитать коэффициент нелинейного показателя преломления. Данный параметр является важной характеристикой материалов, используемых для создания оптических элементов и систем.
О первом случае прямого измерения данного коэффициента ITMO.NEWS уже писали в мае. Статья, в итоге опубликованная в Scientific Reports, послужила теоретической базой для проведенного эксперимента.
Коэффициент нелинейного показателя преломления очень сложно получить опытным путем. На успех будут влиять параметры как образца, так и самого излучения. Критическим является соотношение между толщиной предмета и пространственным размером импульса. В случае, когда образец меньше пространственного размера импульса, метод дает наиболее точный результат. Соответственно, для будущих исследований следует подбирать образец под имеющуюся систему или варьировать параметры излучения в зависимости от исследуемого образца.
«Работа — не tutorial, но содержит рекомендации для будущих экспериментаторов, — рассказывает Ирина Воронцова, одна из авторов статьи, студентка второго курса бакалавриата по специальности «Квантовые и оптические технологии в коммуникациях». — Пренебрежение нашими рекомендациями приведет к получению некорректных результатов при исследовании нелинейных свойств с использованием методики Z-сканирования. Для меня стало честью заниматься серьезными научными проектами наравне с уже состоявшимися учеными».
Актуальность работы заключается в том, что раньше методику Z-сканирования применяли только в области видимого и инфракрасного излучений. Теперь же, ввиду появления новых высокоинтенсивных источников терагерцового излучения и растущей популярности этого направления в целом возрос интерес к возможности применения данной методики и в терагерцовом диапазоне. Сама международная лаборатория фемтосекундной оптики и фемтотехнологий находится в поиске альтернативных источников терагартивного излучения, так как они помогут ускорить распространение технологии. Кроме того, определение нелинейных характеристик материалов в данном спектральном диапазоне важно для создания устройств управления светом и будущих исследований.
«Опубликованная в Scientific Reports статья — это часть большой работы. Сначала в Optics Express мы экспериментально продемонстрировали возможность использования метода Z-сканирования в терагерцовой области спектра, а в новой статье наш коллектив показал пределы его применимости. В ходе проделанной работы были выявлены параметры терагерцового импульса и исследуемой среды, без контроля которых метод приводит к некорректному результату. В дальнейшем мы планируем продолжить как наши экспериментальные исследования (с использованием правильного набора параметров), так и теоретические изыскания. Мы займемся разработкой модифицированной теории Z-скана, которая позволит снять найденные ограничения», — делится планами сотрудник международной лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Максим Мельник.
Статья: Methodical inaccuracy of the Z-scan method for few-cycle terahertz pulses. Scientific Reports. Maksim Melnik, Irina Vorontsova, Sergey Putilin, Anton Tcypkin & Sergei Kozlov. June 2019.
