Не секрет, что для работы физиков-экспериментаторов необходимо множество дорогих и сложных приборов. При этом чем ближе область исследования к передовому краю науки, тем труднее найти подходящие устройства ― подчас для проведения эксперимента группе ученых приходится сначала самим разрабатывать или дорабатывать прибор, необходимый для его проведения.

Не так давно такая задача встала перед сотрудниками лаборатории цифровой и изобразительной голографии Университета ИТМО. Уже несколько лет ученые работают над изучением сверхширокополосных терагерцовых пучков электромагнитного излучения. Предполагается, что эти пучки помогут в создании новых революционно быстрых каналов беспроводной связи, намного превосходящих привычный нам Wi-Fi.

«Мы работаем в рамках проекта РНФ по созданию помехоустойчивой беспроводной передачи информации, ― рассказывает участник исследований Николай Балбекин. ― Суть заключается в передаче данных с помощью пучков терагерцового излучения определенной структуры».

Однако перед тем, как пытаться что-то передать с помощью терагерцового излучения, ученым необходимо проверить разные виды пучков, чтобы найти такой, который бы наилучшим образом переносил информацию и при этом не рассеивался бы в воздухе. Чтобы провести такие опыты, ученым нужен специальный спектрометр, который мог бы «видеть» возмущение электромагнитного поля в терагерцовом излучении.

«Мы планируем кодировать информацию с помощью пространственного распределения внутри пучка, ― рассказывает еще один участник работы Ярослав Грачев. ― Внутри пучка волновой фронт излучения будет закручен в спираль, что похоже, условно говоря, на спиральную макаронину. Чтобы раскодировать информацию, нам нужно это распределение зарегистрировать. Если помехи внесут изменения в форму этой спирали, то информация будет искажена, именно поэтому нам нужно сразу же предугадывать все последствия изменения формы пучка при распространении в воздухе. С помощью терагерцового голографического спектрометра мы можем регистрировать колебания электромагнитного поля, применяя фемтосекундные импульсы; условно говоря, одновременно со всех ракурсов "фотографировать" быстропротекающие процессы изменения электромагнитного поля».

Своими руками

На этом моменте и возникла загвоздка ― традиционные технологии, которые были в распоряжении ученых, не позволяли им достаточно быстро делать «снимки», необходимые для анализа пучков излучения.

«Если мы используем традиционные технологии, время экспозиции, необходимое для получения такого рода "снимка", составляет порядка 40 часов, ― поясняет Ярослав Грачев. ― Необходимо было бы сканировать поле шаг за шагом, перемещая сканирующую диафрагму [по всей площади измеряемого пучка]. Измерения, необходимые нам для проекта РНФ, могли бы занять при таких скоростях годы, без гарантии надежности результатов. Нужно было создать отдельный модуль детектирующей системы, измерения на котором можно было бы проводить достаточно быстро, при этом мы могли бы его легко извлекать и монтировать в любую другую часть установки».

Закупка нестандартного механического оборудования за рубежом стоила бы больших денег, а также драгоценного времени, отведенного на проект. По этой же причине ученые изначально решили не отдавать разработку спектрометра на аутсорсинг и сделать ее самостоятельно, закупив оптические компоненты.

Сердцем новой установки должен был стать специально выращенный по заказу Университета ИТМО электрооптический кристалл, который выступал бы в роли детектора. Кристалл под воздействием терагерцового излучения изменяет свои оптические свойства, что измеряется сверхкоротким лазерным импульсом. Чем сильнее терагерцовый сигнал, тем большее изменение интенсивности лазерного излучения фиксируется видеокамерой.

Установка должна была проводить каждое измерение за разумное время вместо привычных 40 часов, в ней предполагалось использовать много уникальных деталей, которые нужно было распечатать на 3D-принтере. На разработку концепции, создание чертежей, изменения понадобилось около года. И тут, когда работа над воплощением концепта «в железе» вошла в активную фазу, в Россию пришел новый коронавирус COVID-19, который отправил ученых на самоизоляцию.

«За неделю до объявления режима самоизоляции мы сами оценили ситуацию и предприняли меры, чтобы организовать большинству сотрудников, которые могут работать над проектом удаленно, максимально комфортные условия для выполнения поставленных перед ними задач. Мы перевезли 3D-принтер и необходимые расходные материалы, и ребята начали работать из дома», ― рассказал руководитель лаборатории Цифровой и изобразительной голографии Николай Петров.

Основная работа по физическому воплощению прибора легла на Ярослава Грачева и еще одного участника проекта, студента Владимира Коклюшкина. Последние чертежи они согласовывали по Skype, а детали изготавливались прямо на дому.

«3D-печать делал я, ― рассказывает Ярослав. ― Принтер решили перевезти ко мне домой ― мне вообще нравится с ним работать. Некоторые металлические части, например, винты, направляющие, мы купили в магазинах. Все остальное сделали сами. Даже в режиме самоизоляции, при десятилетнем опыте создания терагерцовых спектрометров, на разработку концепции, всех механизмов юстировки, 3D-моделей, печать, доводку деталей, сборку макета спектрометра, починку 3D-принтера (все активно работающее оборудование когда-либо ломается), доработку дизайна некоторых деталей и их повторное изготовление ― ушло все время, выделенное в плане, при постоянной работе с перерывом на еду и сон».

От модели к эксперименту

Так или иначе, устройство было готово. Следующий шаг ― проверка его в деле. Здесь уже было не обойтись без выхода из дома, ведь для эксперимента мощную фемтосекундную лазерную систему в квартиру не привезешь. Ученым пришлось обзавестись дополнительной защитой ― не только традиционными в лаборатории очками и халатами, но также масками и перчатками, необходимыми в условиях пандемии.

Эксперименты удалось провести всего за неделю. Результат обнадежил: было подтверждено, что голографический спектрометр позволяет записывать полное распределение терагерцового излучения в объеме 16×16×30 мм всего за 10 минут. При этом, отмечают создатели, этот показатель ― еще не предел.

Теперь ученым предстоят новые эксперименты в рамках работы над линиями сверхскоростной беспроводной передачи данных. Впереди работы по пространственной фильтрации фемтосекундного лазерного пучка для получения кристально чистого изображения с высоким разрешением в терагерцовом диапазоне, а также множество других экспериментов по формированию терагерцовых вихревых пучков и изучению их полета в пространстве, например, подробно смоделированных участниками проекта ранее.

Установка же может применяться и для других проектов, где необходимо будет измерять терагерцовое излучение.

«Я лично за то, чтобы [трехмерные модели деталей] этой установки были бы в открытом доступе, в духе работ по открытому аппаратному проектированию (open-source hardware). Она удобна не только для этого гранта, но и в принципе для экспериментов с терагерцовой техникой», ― заключает Ярослав Грачев.