Научная
деятельность
Университет ИТМО

Физики исследовали возникновение терагерцового излучения в жидкостях

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.

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.

Антон Цыпкин
Антон Цыпкин

«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 Лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий 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
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 «Фотоника и оптоинформатика» Университета ИТМО, сотрудник Университета Рочестера в США.

Процесс филаментации и возникновения терагерцового излучения в жидкости
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.