Достигнута рекордная эффективность получения терагерцового излучения в жидкостях

Физики из Университета ИТМО улучшили метод преобразования оптического излучения в терагерцовое с помощью жидкости, что до недавнего времени считалось неперспективным. Они добились его рекордной эффективности в такой среде — до 0,1%. Эта работа может помочь терагерцовому излучению получить широкое применение. Сегодня доказано, что это излучение, в отличие от рентгеновского, безопасно для человека и применимо в медицине, системах безопасности, экологическом мониторинге, анализе предметов искусства и в пищевой промышленности. Статья опубликована в журнале Communications Physics. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Терагерцовое (ТГц) излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами, что 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. Кроме того, 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 (рака, диабета и других), в системах безопасности в общественных местах, для экологического мониторинга, для неразрушающего анализа предметов искусства и в пищевой промышленности для контроля качества и состава продукции.

Тем не менее 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, для того чтобы ТГц сканеры смогли заменить рентгеновские, необходимо создать мощные и компактные источники и чувствительные приемники излучения для ТГц спектрального диапазона. Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) 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. Оптическое излучение — свет — вызывает генерацию ТГц поля при высокоинтенсивном (порядка 10¹³-10¹⁴ 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.

«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», — поделился Антон Цыпкин, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института фотоники и оптоинформатики ИТМО.