Прежде генерация такого излучения в жидкой среде считалась невозможной из-за высокого поглощения, однако в своем новом исследовании ученые описали физическую природу этого явления и показали, что источники жидкого излучения могут быть столь же эффективны, как и традиционные.
Исследовательская группа из Университета ИТМО и Университета Рочестера (США) провела исследование по формированию терагерцевого излучения в жидкостях. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Терагерцевое электромагнитное излучение может с легкостью проходить сквозь ряд материалов, за исключением металлов и воды. Сегодня оно широко используется в системах безопасности для выявления наркотиков и оружия, также его применяют в биомедицинских исследованиях. Это подталкивает ученых, занимающихся терагерцевым излучением, фокусироваться на поиске новых, более мощных и эффективных источников.
Сейчас в качестве источников терагерцевого излучения чаще всего используют твердые материалы, реже — источники, основанные на фемтосекундной лазерной филаментации (сложная, сильно связанная пространственно-временная динамика оптического поля в нелинейной, быстро ионизирующейся среде, вызывающая уникальные режимы сверхбыстрой электродинамики) в воздухе и газах. Мощный лазерный луч создает плазму в газовой среде путем ее ионизации, в то время как свободные электроны генерируют электромагнитное терагерцевое излучение. Повторить этот процесс с жидкостями до сих пор считалось невозможным из-за высокого поглощения, однако в своем исследовании ученые доказали обратное, подчеркнув, что жидкость даже имеет несколько преимуществ по сравнению с газом.
«До того как профессор Си-Чен Чжан (Xi-Cheng Zhang) не выявил терагерцевое излучение в жидкости, это считалось невозможным. Нам удалось продемонстрировать, что с точки зрения эффективности жидкостные источники, напротив, приближаются к твердотельным источникам, чаще всего используемым в наше время. Процесс облегчает тот факт, что добыть жидкость намного легче, чем, скажем, кристаллы, а ее способность выдерживать высокую энергию накачки позволяет получить лучший конечный результат», — говорит заведующий Лабораторией фемтосекундной оптики и фемтотехнологий в Университете ИТМО Антон Цыпкин.
Как правило, излучение генерируется за счет высвобождения свободных возбужденных электронов во время филаментации: чем больше электронов получится возбудить и ионизовать, тем мощнее будет выходное терагерцевое излучение. Число возбужденных электронов одной молекулы зависит от энергии, затрачиваемой на возбуждение среды. Несмотря на то что разница между требуемой энергией «накачки» в газе и жидкости не сильно отличается, ученых прельщает тот факт, что плотность молекул в жидкости намного выше, чем в газе.
«Вместе с тем у жидкости есть и свои недостатки: например, ее значительное поглощение. Мы полагаем, что нам удастся решить этот вопрос путем оптимизации типа жидкости, формы струи, мощности насоса и некоторых других параметров. Наша цель — найти наиболее подходящие параметры для генерации излучения в разных жидкостях и разработать теоретическую модель, основанную на этих данных. Эту модель мы впоследствии планируем использовать для создания устройства, позволяющего производить различные типы терагерцевого излучения из жидкостей», — объясняет научный сотрудник Университета Рочестера Си-Чен Чжан.