ГлавнаяУниверситет ИТМО
2018-11-29
Физики Международного института Фотоники и оптоинформатики исследовали возникновение терагерцового излучения в жидкостях

Антон Цыпкин, к.ф.-м.н., руководитель лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий
 
  Группа ученых из Университета ИТМО и Университета Рочестера, США исследовала, как возникает терагерцовое излучение в жидкости. Раньше возникновение такого излучения в жидкой среде 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 эффективны, чем традиционные. Результаты опубликованы в журнале Applied Physics Letters, Nov. 1, 2018. Причём, редакция журнала определила эту статью, как одну из лучших в журнале, и решила продвигать ее, как - избранную (статья отображается на главной странице журнала).
  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. Но международная группа исследователей из Университета ИТМО и Университета Рочестера показала, что это не так. В новой работе ученые выяснили, что жидкость даже обладает рядом преимуществ перед другими источниками, например, газами.
  «До тех пор пока наш коллега Кси-Ченг Жанг не обнаружил терагерцовое излучение в жидкости, считалось, что это невозможно. Но мы показали, что по эффективности жидкостные источники могут приблизиться к твердотельным, которые сейчас считаются эталоном. Только жидкость при этом гораздо проще получить, чем кристалл. Кроме того, она выдерживает большую энергию накачки, что дает возможность получить более высокую энергию на выходе», – объясняет Антон Цыпкин, руководитель руководитель лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.
  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. Но 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 сильней.

Оборудование для генерации терагерцового излучения в жидкости.

  В этой работе 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 им удалось 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. 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», – рассказывает Кси-Ченг Жанг, соруководитель Международного института «Фотоники и оптоинформатики» Университета ИТМО, профессор Университета Рочестера (США).

Процесс филаментации и возникновения терагерцового излучения в жидкости.

Статья: Terahertz wave generation from liquid water films via laser-induced breakdown. Yiwen E, Qi Jin, Anton Tcypkin, and X.-C. Zhang. Appl. Phys. Lett. Nov. 1, 2018.

Редакция ITMO.NEWS, Центр научных коммуникаций, Анастасия Комарова.
 
Design by Anton Alfimov         Powered by MagicTeam