Терагерцовое (ТГц) излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонамию. Это соответствует длинам волн света от 3 миллиметров до 30 микрометров (то есть от 0,1 до 100 терагерц). Этой спектральной области соответствуют колебания, характерные для тяжелых молекул, в том числе органических, а также движения атомов кристаллов.

Также, в отличие от рентгена, ТГц излучение безвредно для человеческого организма, что позволяет использовать его для решения многих важных прикладных задач. Ученые доказали применимость ТГц излучения для диагностики, профилактики и лечения болезней (рак, диабет и другие), в системах безопасности в общественных местах, для экологического мониторинга, для неразрушающего анализа предметов искусства и в пищевой промышленности для контроля качества и состава продукции.

Однако устройства на основе ТГц излучения до сих пор не получили широкого применения. Дело в том, что мощность сигнала очень сильно снижается как в атмосфере, так и при прохождении через некоторые препятствия, особенно если они содержат влагу. В частности, после того, как ТГц сигнал преодолеет миллиметр солевого раствора (близкого по характеристикам к тканям человеческого тела), его мощность снизится в ~500 миллионов раз относительно первоначального значения. Поэтому чтобы ТГц сканеры смогли заменить рентгеновские, необходимо создать мощные и компактные источники и чувствительные приемники излучения для ТГц спектрального диапазона.

Ученые из Университета ИТМО смогли увеличить эффективность генерации ТГц излучения при использовании одного из видов его источников накачки — лазерного. В предыдущих работах команда улучшила широко используемый для этого способ филаментации в жидкостях, основанный на эффекте оптико-терагерцового преобразования.

Лаборатория фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Университета ИТМО
Лаборатория фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Университета ИТМО

Оптическое излучение — свет — вызывает генерацию ТГц поля при высокоинтенсивном (порядка 1013-14 Вт/см2) взаимодействии со средой. Во время филаментации лазерное излучение высокой интенсивности вызывает лавинную ионизацию среды, в объеме которой происходит отрыв электронов от атомов. Электроны оказываются в высоковозбужденном состоянии и образуют плазменный канал на длине всего филамента.

Филамент — это светящаяся нить, которая осталась после взаимодействия излучения со средой. Внутри этого канала генерируются различные виды излучения: оптическое, инфракрасное, рентгеновское и в том числе терагерцовое. На этот раз исследователи фокусировали лазерный луч не в газовой среде, как это делают обычно, а в жидкости.

Так как было известно, что жидкости хорошо поглощают ТГц излучение, ранее они не рассматривались как его источник. Однако группа ученых из ИТМО выяснила, что генерация ТГц излучения в жидкостях происходит эффективнее, чем в газах. Это объясняется тем, что в газе плотность молекул меньше, а энергия ионизации больше, чем в жидкости. Поэтому в газовой среде на единицу объема меньше и возможное количество возбужденных электронов.

С помощью схемы двухимпульсного возбуждения ученым удалось достичь нового максимального значения эффективности оптико-терагерцового преобразования (0,1%). Идея данной методики состоит в том, чтобы запускать в среду два однонаправленных импульса накачки: первый предионизирует среду, а второй усиливает ТГц поле при взаимодействии с плазмой от первого импульса.

Экспериментальные результаты, подтвержденные численным моделированием, показали, что опорные импульсы большей длительности предпочтительны для возбуждения эффективного процесса ионизации, а более короткие сигналы — для интенсивного взаимодействия излучения с наведенной плазмой.

Проведенная работа позволила определить интересные физические закономерности в ходе двухимпульсного возбуждения различных жидкостей. Ученые показали, что усиление ТГц импульса для различных жидкостей происходит через несколько пикосекунд (10-12 секунды) после возбуждения первым импульсом и связано с временем жизни плазмы. Предположение о последнем исследователи подтвердили экспериментальными измерениями.

Антон Цыпкин
Антон Цыпкин

«Хочется отметить, что в перспективе результат в 0,1% может быть улучшен, если изменить рабочий диапазон длин волн лазера. Если сместить центральную длину волны при лазерной накачке в средний инфракрасный диапазон — до трех микрометров — эффективность достигнет еще более впечатляющих значений, порядка 1-5%. Таким образом, мы нашли оптимальные условия для высокоэффективной генерации терагерцовых волн в жидкостях. Наша работа — еще один важный шаг к будущему, в котором мощные и экономичные источники ТГц излучения получат широкое распространение», — комментирует Антон Цыпкин, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.

Пресс-служба РНФ

Перейти к содержанию