О журнале

Light: Advanced Manufacturing — новый журнал, выпускаемый от имени Чанчуньского института оптики, точной механики и физики, а также Китайской академии наук и Китайского оптического общества. Это побратим (или, иначе, «sister journal») высокорейтингового журнала Light: Science & Application, входящего в группу Nature. Однако новый журнал сфокусирован не столько на научных и фундаментальных разработках, сколько на их индустриальном применении.

Один из последних номеров журнала посвящен 60-летию голографии — более полувека назад Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс смогли получить первые объемные голографические изображения при помощи лазерных источников, после чего и начался «голографический бум». В спецвыпуск вошли как статьи ученых, стоявших у истоков некоторых научных направлений (например, Карла Стетсона, рассказавшего о своем открытии голографической интерферометрии), так и работы наиболее ярких инженеров-технологов (таких как Бернард Кресс, основоположник микрооптики и нанооптики, ведущий разработчик Google Glass и Hololens).

В спецвыпуск вошли и статьи российских ученых — о своих актуальных разработках написали три ведущие российские научные группы: из Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики имени Г. И. Будкера, из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, и ИТМО.

Для спецвыпуска коллектив ИТМО подготовил сразу две статьи. Первая представляет собой обзор всех существующих подходов и методов получения векторных и вихревых пучков импульсного терагерцового излучения. Во второй авторы сфокусировались на описании собственных разработок в этой области.

Вихревые пучки для передачи информации

Ученые давно научились менять длину, частоту и направление электромагнитных волн. Более того, они умеют придавать волнам специфическую форму и создавать сложные структуры электромагнитных пучков — это направление так и называется: «beam shaping».

В настоящее время среди большого многообразия видов структурированного излучения часто выделяют два вида: векторные и вихревые пучки. В векторных пучках направление колебания вектора напряженности электромагнитного поля (называемого поляризацией) различается от точки к точке этого пучка. В вихревых же энергия совершает поперечное вращение при распространении.

С помощью пучков разных форм можно перемещать микрочастицы, разрезать материалы, получать изображения, в том числе голографические, делать спектральный анализ. А еще — кодировать данные и передавать информацию по воздуху и даже в космос. Суть в том, что чем больше вариативность форм, тем больше информации можно закодировать в луче того же света (на самом деле в любом сгенерированном пучке энергии):

«Через направленный пучок мы можем передавать информацию. Самое простое, что приходит на ум — это чередование состояний «включил/выключил» передатчик, посылающий направленное излучение. Так можно передавать сообщения, например, используя азбуку Морзе. Но много информации таким образом не передашь — нам же нужно передавать видео, файлы, массивы данных. Поэтому для кодирования используют разные длины волн (то есть разные цвета), частоты, амплитуды, направления поляризации — все это называется мультиплексированием информации. И одна из возможных степеней свободы — это использовать волновой фронт электромагнитной волны. Он бывает плоским, сферическим, винтовым. В последнем случае один пучок можно добавлять разные формы винтовых волновых фронтов, и тем самым увеличивать плотность передачи информации за один прием», — объясняет Николай Петров, руководитель лаборатории цифровой и изобразительной голографии ИТМО.

Прочитайте также:

Междисциплинарный подход: как в ИТМО изучают культурное наследие вместе с Русским музеем и учеными из Франции

Ученые разработали высокочувствительный метод измерения рельефа поверхности с помощью терагерцового излучения

Достигнута рекордная эффективность получения терагерцового излучения в жидкостях

Препятствие в виде законов физики

Ученые уже научились формировать пучки сложных форм в разных диапазонах электромагнитного спектра: рентгеновском, ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном. Сейчас интенсивно осваивается как раз терагерцовый спектр — как отмечает Николай Петров, волны на терагерцовой частоте больше подходят для задач передачи большого объема информации. При переходе к более высокочастотному диапазону (то есть от радиоволн к инфракрасным), длина волны уменьшается, а частота колебаний электромагнитного поля увеличивается. При этом само излучение становится более направленным. Проще говоря, в таком канале будет передаваться больше информации, но распространяться излучение будет не во все стороны, а в специальном луче.  

Существует два способа получения вихревых пучков в терагерцовом диапазоне частот: активный и пассивный. В первом случае форму волны задают сразу в процессе генерации терагерцового излучения, во втором — пропуская уже сгенерированную терагерцовую волну через модулятор,  в роли которого могут выступать специальные пластины (или их набор), которые преломляют волну и меняет ее направление. Этот подход пришел из оптики, там уже давно используют пластины из двулучепреломляющего материала (например кварца). Проходя через него неполяризованное излучение — то есть свет, — начинает осциллировать в строго определенных направлениях. То же самое применимо к волнам из инфракрасного и терагерцового спектральных диапазонов.

Но с терагерцовым диапазоном возникают проблемы, связанные с тем, что ученые еще не научились создавать достаточно мощные и доступные источники такого излучения, и с тем, что преломляющие пластины дополнительно поглощают часть энергии на каждом этапе преобразования. Есть и еще одно фундаментальное препятствие — сама физическая природа волн:

«Когда мы работаем с широкополосным излучением, и у нас в одном пучке волны разных частот и поляризаций, мы не можем использовать один модулятор для всех них. Если мы пропускаем пучок через пластину, предназначенную для одной частоты, мы автоматически нарушаем условия для другой, потому что толщина пластины должна быть кратна длине волны. Соответственно, для одной длины волны пластина будет работать, а для соседней уже не будет соблюдаться условие кратности», — поясняет Николай Петров.

Над чем работают ученые

Коллектив лаборатории ИТМО сфокусировался на проблеме: как задать требуемую винтовую форму фронта волнам разной длины в одном пучке излучения, чтобы получить широкополосный канал для передачи информации. Как отмечает Николай Петров, для ученых — это серьезный технологический вызов, на который удалось найти возможное решение после обзора и анализа всех имеющихся на данный момент научных подходов и существующих устройств.

Сотрудники лаборатории ИТМО смогли создать прототип устройств на основе так называемых ахроматических модуляторов, которые одинаково хорошо работают для разных длин волн. Говоря о структуре и принципе действия таких модуляторов можно сказать, что некоторые элементы в их конструкции разбиты на сектора, которые осуществляют пространственно-неоднородное преобразование поляризации излучения в пучке, одинаковое сразу для большого набора длин волн. В результате такого специального изменения направления колебаний вектора напряженности электромагнитного поля в каждом из секторов одного из элементов модулятора, в проходящем через него пучке и появляется вихревая структура.

Но пока что проблема остается той же: проводить эксперименты и количественные расчеты очень сложно из-за низкой мощности самих генераторов:

«Терагерцовое излучение не видно глазом, а фиксировать его детекторами сложно из-за слабой мощности — и это общемировая проблема. Несмотря на то, что направление интенсивно осваивается последние 30 лет, прогресс в разработке высокоинтенсивных источников этого излучения явно недостаточен. Поэтому важно сделать такой модулятор, который не только преобразовывал бы волны, но и при этом не сильно их поглощал. В этом отношении, используемые нами кварцевые пластины довольно перспективны», — заключает Николай Петров.

Работа коллектива по изучению вихревых пучков выполнялась в рамках гранта РНФ в течение трех лет. Сейчас грант закончился — по его итогам и были написаны обзорная статья и исследовательская работа, в которой заложены основы проектирования модуляторов, формирующих вихревые одинаково заряженные пучки в широком диапазоне частот терагерцового излучения. В следующем проекте ученые планируют обеспечить еще большие возможности для управления структурой пучков в терагерцовом диапазоне частот с использованием разработанных  модуляторов, дизайн которых уже в принципе готов, чтобы перейти к практическим применениям.

Статья: Nikolay Petrov, Bogdan Sokolenko, Maksim Kulya, Andrei Gorodetsky, Aleksey V. Chernykh, Design of broadband terahertz vector and vortex beams (Light: Advanced Manufacturing, 2022).