Исследовательская группа из Университета ИТМО и Университета Рочестера (США) провела исследование по формированию терагерцового излучения в жидкостях. Раньше генерация такого излучения в жидкой среде считалась невозможной из-за высокого поглощения. Однако в своих новых исследованиях ученые описали физическую природу этого явления и показали, что источники жидкого излучения могут быть одинаково эффективными для традиционных. Результаты опубликованы в «Письмах прикладной физики» .

Терагерцовое электромагнитное излучение может легко проходить через большинство материалов, кроме металлов и воды. Сегодня он широко используется в системах безопасности, используемых для обнаружения незаконных наркотиков и оружия, а также для биомедицинских исследований. Большинство современных исследований, связанных с терагерцовым излучением, фокусируются на поиске новых, более стабильных, мощных и эффективных источников.

Наиболее распространенными источниками терагерцового излучения являются твердые материалы. Кроме того, существуют источники, основанные на фемтосекундной лазерной филаментации в воздухе и газах. В этом случае мощный лазерный луч создает плазму в газовой среде путем ее ионизации, так что свободные электроны генерируют электромагнитное терагерцовое излучение. Хотя делать то же самое в жидкой среде до сих пор считалось невозможным из-за высокого поглощения, международная исследовательская группа из Университета ИТМО и Университета Рочестера показала обратное. Их новое исследование показало, что жидкость, по сути, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими источниками, такими как газы.

«Пока наш коллега, профессор Си-Чен Чжан, не смог обнаружить терагерцовое излучение в жидкости, считалось невозможным, но мы продемонстрировали, что с точки зрения эффективности жидкие источники могут приближаться к твердотельным источникам, которые в настоящее время считаются стандартными.Кроме того, жидкости намного легче получить, чем кристаллы, они также могут выдерживать высокую энергию накачки, что позволяет получить лучший выход » — объясняет Антон Цыпкин, заведующий лабораторией фемтосекундной оптики и Фемтотехнология в Университете ИТМО.

Обычно излучение генерируется за счет высвобождения свободных возбужденных электронов во время филаментации. Чем больше электронов может возбуждаться или ионизоваться, тем сильнее будет выходное терагерцовое излучение. Число возбужденных электронов одной молекулы зависит от энергии, затрачиваемой на возбуждение или «накачку» среды. Разница между требуемыми «накачивающими» энергиями в газе и жидкости мала. В то же время плотность молекул в жидкости намного выше, чем в газе, так что сопоставимая энергия накачки позволяет возбуждать больше электронов и усиливать излучение.

Ученые исследовали направление терагерцового излучения в жидкости. Эксперименты проводились параллельно в двух университетах, чтобы устранить ошибки. Затем ученые подтвердили независимо полученные результаты и вместе работали над теоретической моделью, чтобы объяснить их. В результате им удалось составить и физически обосновать диаграммы излучения терагерцового излучения в жидкости и его зависимость от угла, с которым жидкость сталкивается с излучением накачки. По мнению исследователей, эти результаты будут использованы в будущей работе.

«Существенным недостатком жидкости является ее значительное поглощение. Мы планируем решить эту проблему, оптимизируя тип жидкости, форму струи, мощность насоса и ряд других параметров. Мы хотим экспериментально найти оптимальные параметры для генерации излучения в разных жидкостях, а также разработать теоретическую модель, основанную на этих данных, ее можно использовать для создания прототипа, позволяющего производить различные типы терагерцового излучения жидкостей» — говорит Си-Чен Чжан, -директор Международного института фотоники и оптической информатики в Университете ИТМО и научный сотрудник Университета Рочестера.

 

По материалам phys.org