Терагерцовый (ТГц) диапазон частот представляет интерес для широкого круга исследовательских областей — излучение данной части электромагнитного спектра можно использовать, например, для создания систем сканирования и неразрушающего контроля. Кроме того, в терагерцовом диапазоне лежат частоты колебаний кристаллических решёток различных веществ, что делает ТГц излучение привлекательным инструментом для задач, связанных с направленным воздействием на состояния вещества. Для создания источника терагерцового излучения, способного достичь высоких значений энергии и мощности, учёные предлагают различные варианты генерации.
«Терагерцовое излучение хорошо тем, что оно неионизирующее, а это значит, что оно свободно проникает во многие вещества, не разрушая их химические связи, — прокомментировала инженер ИЯФ СО РАН Евгения Волчок. — Соответственно, его можно использовать для сканирования различных веществ, или неразрушающего контроля — так в некоторых аэропортах мира уже используют терагерцовые сканеры, а на производствах просвечивают упаковки с медикаментами, проверяя качество продукции. Предполагается, что этот диапазон может лечь в основу новых стандартов связи. С моей точки зрения, самое интересное применение терагерцового излучения связано с его воздействием на кристаллические решётки в твёрдом теле, что позволяет изменять состояние вещества, например, создавать временную намагниченность или сверхпроводимость».
Источники терагерцового излучения бывают разными: одни обеспечивают короткие и мощные импульсы с большой шириной спектра, другие, наоборот, имеют узкую спектральную линию излучения.
«Чтобы получить узкополосный источник, нужно возбудить в веществе долгоживущие колебания, — добавила Евгения Волчок. — Технически это довольно сложно. Лабораторных установок данного типа, таких, которые позволяли бы генерировать излучение с узкой спектральной линией, но большой амплитудой волны, мало, поскольку обычные вещества при длительном воздействии накачки разрушаются. Примером источника мощного терагерцового излучения с узким спектром являются лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В частности, новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ ИЯФ СО РАН) — уникальный источник такого излучения, средняя мощность импульсов которого не имеет аналогов в мире. Однако ЛСЭ — это очень большая установка, которую не каждый может себе позволить. Наша теоретическая группа развивает новые методы генерации терагерцевого излучения в плазме для создания более компактных установок».
«Плазменные источники перспективны благодаря тому, что в ионизированном газе можно создавать долгоживущие колебания с большой амплитудой, которые при переходе в вакуум конвертируются в излучение терагерцового диапазона, — пояснила Евгения Волчок. — Но есть сложность: потенциальные колебания, возбуждаемые электронными пучками или лазерными импульсами, сами по себе в вакуум выйти не могут, поэтому исследователи придумывают различные способы этого добиться. Мы решили эту задачу, запустив в плазму не один лазерный импульс, а два навстречу друг другу. При этом мы задаём волнам отличающиеся поперечные профили, чтобы обеспечить нескомпенсированный электрический ток, который и выступает источником излучения. В этом случае при столкновении двух волн возникают колебания на удвоенной частоте, которые способны распространяться в вакууме. Таким образом, энергию плазменных колебаний мы можем превращать в электромагнитное излучение. Следующий шаг развития этого механизма — повысить количество энергии, которое можно эффективно преобразовать в излучение таким образом. Идея состоит в том, чтобы сталкивать широкие плазменные волны с мелкомасштабной модуляцией интенсивности».
По словам инженера, реализовать эту идею можно, например, создавая каждую из волн парой лазерных пучков, фокусирующихся в одну точку под малым углом относительно их оптических осей. Использование широких волн позволяет закачать в систему больше энергии, а значит и больше излучить. А благодаря более слабой дифракции таких волн, бонусом мы получаем область излучения в несколько раз большую, чем в оригинальном варианте. Как итог — эффективность излучения вырастает на два порядка.
Физики разработали аналитическую теорию и провели моделирование, которое показало, что, используя такой улучшенный механизм на встречных волнах, эффективность гипотетического источника терагерцевого излучения достигает одного процента.
«В лазерно-плазменных схемах типичные эффективности составляют сотые доли процента, мы же указываем путь к её увеличению на два порядка. Теоретически, в будущем, используя нашу работу, на основе предложенного механизма можно создать относительно компактные источники узкополосного терагерцового излучения для различных приложений», — добавила Евгения Волчок.
В планах у специалистов провести эксперименты по генерации терагерцовых волн в плазме при помощи усовершенствованного механизма и подтвердить возможность достижения тех параметров излучения, которые были получены при моделировании.
Результаты исследования опубликованы в Physics of Plasmas.
