Наука и техника

Сайт посвящен машинному обучению, ИИ, ГМО и многому другому технологичному

Терагерцы из воды

Ученые из международной Лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института «Фотоника и оптоинформатика» изучают генерацию терагерцового излучения в струе жидкости. О том, что такое терагерцовое излучение, где оно применяется и почему для генерации пришлось использовать струи жидкости, рассказывает руководитель лаборатории, кандидат физико-математических наук Антон Цыпкин:

Генерация терагерцового излучения в жидкости — это довольно молодое направление, основанное группой ученых под руководством профессора Си-Чэн Чжана (Xi-Cheng Zhang). Буквально в прошлом году они показали, что под действием лазерного импульса продолжительностью около 400 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна 10−15 секунд) вода начинает испускать излучение в терагерцовом диапазоне, то есть с частотами порядка одного терагерца. Для сравнения: частота СВЧ-излучения микроволновой печки примерно равна 0,002 терагерца, а частота инфракрасного излучения человеческого тела — примерно 50 терагерц. До этого считалось, что заставить воду излучать в терагерцовом диапазоне невозможно. Мне это направление показалось очень перспективным — большинство открытий пока еще не сделаны, все идеи, которые приходят голову, новые, а потому ими интересно заниматься. Поэтому мы поговорили с Чжаном, который в данный момент является научным консультантом нашей международной лаборатории, и он предложил нам заняться исследованиями в этой области.

Принцип генерации излучения в жидкости сравнительно прост. Как известно, вода очень хорошо поглощает терагерцовое излучение. Если направить этот процесс в обратную сторону, то можно заставить ее так же хорошо излучать — только нужно правильно на нее воздействовать. Например, направить на нее короткий (спектрально ограниченный), но мощный лазерный импульс, который называют импульсом накачки. Проблема в том, что подобрать параметры этого импульса очень сложно, и терагерцовое излучение на выходе получается очень слабое. Однако группа Чжана обнаружила, что при уширении спектра импульса и увеличении его продолжительности до 300–500 фемтосекунд (такие импульсы называют чирпированными) тонкую пленку воды все-таки можно заставить испускать излучение в диапазоне от 0,1 до 3 терагерц.

Основная задача, над которой мы работаем, — это повышение эффективности генерации, то есть увеличение энергии терагерцового импульса при фиксированной мощности импульса накачки. Поскольку «жидкая» генерация позволяет использовать двухцветную филаментацию, есть надежда, что с ее помощью можно получить бо́льшую эффективность, чем у существующих способов. Филаменты — это тонкие лазерные нити, возникающие в прозрачной среде из-за нелинейных эффектов, в результате которых мощный световой импульс самопроизвольно фокусируется и дефокусируется. Соответственно, двухцветная филаментация означает, что в среде возникает сразу две нити с разной длиной волны. Из-за этого один из импульсов «отстает» во времени, и его приходится немного сдвигать, чтобы совместить со вторым импульсом и увеличить мощность возникающего терагерцового излучения. Уже сейчас наш эксперимент дает эффективность преобразования энергии порядка 0,1 процента, тогда как эффективность традиционных способов находится на уровне нескольких процентов. Тем не менее, нужно учитывать, что мы пока находимся только в самом начале развития, в будущем усиление будет гораздо больше.

При этом нужно заметить, что в наших экспериментах жидкость свободно стекает в виде струи, а не помещается в кювету, как обычно. Это делается для того, чтобы избавиться от стенок, которые накладывают дополнительные граничные условия на изучение. Конечно, есть и такие работы, в которых терагерцовое излучение генерируется водой в кювете. Им даже удается получить такую же высокую эффективность, как в наших экспериментах, — однако в этих работах возникает множество технических сложностей, которые очень трудно преодолеть. Например, в этой схеме нужно совмещать начало и конец филамента со стенками кюветы, чтобы добиться максимальной эффективности. В схеме со струей воды подобные сложности не возникают.

Поскольку область сравнительно новая, мы пока занимаемся фундаментальными исследованиями — придумываем идеи экспериментов и проверяем их в лаборатории, параллельно пытаемся улучшить нашу теоретическую модель, «подогнать» ее под реальность. Хорошая модель должна описывать не только воду, вода — это просто первое, что приходит в голову, она вовсе не обязана быть оптимальной средой. Каждая жидкость имеет свою уникальную вязкость, прозрачность, коэффициент ионизации и другие параметры, которые влияют на эффективность генерации; мы надеемся, что эти параметры можно подобрать так, чтобы эффективность выросла во много раз. К сожалению, пока что разрабатываемая модель получается слишком грубой, и ее предсказания сильно отличаются от эксперимента. Кроме того, в ходе работы мы постоянно консультируемся с Си-Чэн Чжаном, обмениваемся идеями и сравниваем достижения наших групп. Зачастую оказывается, что мы провели одни и те же эксперименты и получили одинаковые результаты — и это хорошо, потому что достоверность полученных данных увеличивается.

Однако для чего вообще нужно исследовать терагерцовое излучение? Дело в том, что терагерцовое излучение сильно отражается металлами, однако свободно проходит сквозь большинство диэлектриков, в том числе через живые ткани. Кроме того, оно практически не рассеивается внутри тела, что делает его гораздо более безопасным по сравнению с рентгеновскими лучами. Поэтому терагерцовое излучение имеет множество практических приложений — например, с его помощью можно сканировать багаж в системах безопасности аэропортов и вокзалов, восстанавливать скрытые или утерянные картины, читать закрытые книги, оценивать прочность механических конструкций, исследовать верхние слои тела (кожу и сосуды) и получать динамические изображения опухолей (например, диагностировать рак желудка). Разумеется, для этого нужны мощные портативные источники терагерцового излучения с высоким КПД. Фундаментальные исследования, которые проводятся в нашей лаборатории, помогут в скором будущем создать такие источники.

Разное