Ранее создание излучения в жидкой среде признавалось невозможным из-за значительного поглощения. Однако новое исследование, проведенное учеными, раскрыло физические основы этого явления и продемонстрировало, что источники жидкого излучения способны достигать эффективности, сопоставимой с традиционными.
Ученые из Университета ИТМО и Университета Рочестера (США) провели исследование, посвященное генерации терагерцового излучения в жидких средах. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Терагерцовое электромагнитное излучение способно проникать через многие материалы, за исключением металлов и воды. В настоящее время оно находит широкое применение в системах безопасности для обнаружения наркотических веществ и оружия, а также используется в биомедицинских исследованиях. Это стимулирует ученых, работающих в области терагерцевой радиации, фокусироваться на поиске новых, более мощных и эффективных источников.
В настоящее время для генерации терагерцового излучения преимущественно применяются твердые материалы, а также источники, использующие фемтосекундную лазерную филаментацию (сложный пространственно-временной процесс, характеризующийся динамикой оптического поля в нелинейной среде, приводящий к уникальным режимам сверхбыстрой электродинамики) в воздухе и газах. Мощный лазерный луч ионизирует газовую среду, создавая плазму, в которой 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 открытия профессора Си-Чен Чжан (Xi-Cheng Zhang), терагерцовое излучение в жидкой среде считалось невозможным. Наша работа показала, что жидкостные источники, вопреки распространенному мнению, по эффективности приближаются к твердотельным, которые в настоящее время наиболее часто используются. Удобство использования жидких сред заключается в простоте их получения по сравнению, например, с кристаллами, а их способность выдерживать высокую энергию накачки позволяет добиться лучших результатов.
Как правило, излучение возникает в результате высвобождения свободных электронов в возбужденном состоянии во время филаментации: чем больше электронов удастся возбудить и ионизовать, чем больше энергии затрачено, тем мощнее будет генерироваться терагерцовое излучение. Количество возбужденных электронов в одной молекуле определяется энергией, используемой для возбуждения среды. Хотя разница в энергии, необходимой для «накачки» в газе и жидкости, невелика, ученых привлекает тот факт, что плотность молекул в жидкости значительно выше, чем в газе.
«Несмотря на это, жидкость обладает и некоторыми недостатками, в частности, высоким поглощением. Мы рассчитываем решить эту проблему за счет оптимизации типа жидкости, формы струи, мощности насоса и ряда других факторов. Наша задача – определить оптимальные параметры для генерации излучения в различных жидкостях и создать теоретическую модель, основанную на полученных данных. В дальнейшем планируется использовать эту модель для разработки устройства, которое позволит генерировать разнообразные типы терагерцового излучения из жидкостей. — Так пояснил научный сотрудник Университета Рочестера Си-Чен Чжан.