Исследовано невозможное терагерцовое излучение в жидкостях

Физики исследовали, как возникает терагерцовое излучение в жидкости. Раньше это считалось невозможным из-за высокого поглощения, однако в новой работе ученые описали физическую природу этого явления и показали, что жидкостные источники излучения могут быть не менее эффективными, чем традиционные. Результаты опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Терагерцовое электромагнитное излучение хорошо проходит через множество материалов, кроме металлов и воды. Его широко используют в устройствах систем безопасности при поиске запрещенных препаратов и оружия, а также в биомедицинских исследованиях. Благодаря широкой сфере применения, большинство современных научных работ в области терагерцового излучения направлено на поиск новых, более стабильных, мощных и эффективных источников.

Сейчас самыми распространенными источниками терагерцового излучения служат твердотельные материалы. Кроме того, существуют источники на основе лазерной фемтосекундной филаментации в воздухе и газах. При этом мощный лазерный пучок создает в газовой среде плазму, где происходит ионизация среды, а свободные электроны генерируют электромагнитное терагерцовое излучение. Раньше считалось, что сделать то же самое в жидкой среде нельзя из-за высокого поглощения. В новой работе ученые показали, что это не так. Они выяснили, что жидкость даже обладает рядом преимуществ перед другими источниками, например газами.

«Мы показали, что по эффективности жидкостные источники могут приблизиться к твердотельным, которые сейчас считаются эталоном. Только жидкость при этом гораздо проще получить, чем кристалл, — объясняет один из авторов работы, сотрудник Университета ИТМО Антон Цыпкин. — Кроме того, жидкость выдерживает большую энергию накачки, что дает возможность получить более высокую энергию на выходе».

Обычно излучение генерируется из-за выделения свободных возбужденных электронов при филаментации. Чем больше электронов удастся возбудить или ионизировать, тем сильнее будет терагерцовое излучение на выходе. Количество возбужденных электронов одной молекулы зависит от энергии ионизации, то есть энергии, потраченной на возбуждение или накачку среды. Разница необходимых энергий ионизации накачки в газе и жидкости невелика, 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 сильнее.

Ученые исследовали, как направлено терагерцовое излучение, получаемое в жидкости. Чтобы исключить ошибки в данных, эксперименты проводились параллельно в двух университетах. Затем ученые сверяли независимо полученные результаты и вместе работали над теоретической моделью, чтобы их объяснить. В итоге они смогли составить и физически обосновать диаграммы направленности терагерцового излучения в жидкости, а также зависимость направления от угла, под которым жидкость сталкивается с излучением накачки. Эти результаты ученые планируют использовать в дальнейшей работе.

«Существенным минусом жидкости остается большое поглощение, однако мы планируем решить эту проблему, оптимизировав тип жидкости, форму струи, мощность излучения накачки и ряд других параметров, — комментирует другой автор работы, Си-Чэн Чжан из Университа ИТМО и Университета Рочестера (США). — Мы хотим провести эксперименты, чтобы найти оптимальные параметры генерации излучения в разных жидкостях и разработать на основе этих данных теоретическую модель. Ее можно использовать при создании прототипа устройства, которое позволит получать разное терагерцовое излучение из жидкостей».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.