Российские ученые нашли новый способ получения терагерцового излучения

Исследователи НИЯУ МИФИ предложили новый способ получения мощного терагерцового (ТГц) излучения с уникальными свойствами, который значительно расширит сферы использования ТГц технологий в системах безопасности, связи и научной диагностики. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Applied Physics Letters.

Электромагнитные волны терагерцового диапазона находятся на спектральной шкале между радиоволнами и видимым светом. Они были впервые получены в лабораторных условиях в Московском университете около ста лет назад, и их открытие доказало единую природу электромагнитных колебаний разных частот.

Терагерцовое излучение

Со временем были обнаружены многочисленные уникальные свойства терагерцового излучения: способность проходить через многие материалы без поглощения, но при этом взаимодействовать с некоторыми сложными молекулами; оказывать на вещество специфическое неионизирующее воздействие; обеспечивать возможность передачи информации сверхвысокой плотности.

Сегодня ТГц излучение применяется в системах безопасности в аэропортах, при разработке новых технологий передачи данных, превосходящих технологию 5G. Ученые используют его при исследовании строения вещества, взаимодействия и протекания реакций с участием сложных молекул, в методах точной диагностики и терапии в медицине, включая онкологию, а также при анализе биологических процессов в природе.

В то же время, у волн ТГц диапазона имеется существенный недостаток – они быстро поглощаются в атмосфере, что ограничивает использование излучения невысокой интенсивности расстоянием в несколько метров. Чтобы качественно расширить потенциальные сферы использования ТГц технологий, необходимо увеличить мощность излучения.

Чтобы решить эту задачу, сотрудники Института лазерных и плазменных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (ЛаПлаз НИЯУ МИФИ) разрабатывают методы, основанные на плазменных явлениях с высокой плотностью энергии, в том числе лазерно-плазменные методы.

«Плазменные излучатели сегодня рассматриваются как наиболее перспективные источники мощного и сверхмощного ТГц излучения. Например, целый ряд работ в научных журналах посвящен возбуждению ТГц импульса в тонкой проволоке, облучаемой сверхинтенсивным ультракоротким лазерным импульсом. Такая ТГц волна оказывается чрезвычайно мощной, однако, обладает рядом специфических особенностей, осложняющих ее практическое использование», – рассказал доцент Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Филипп Корнеев.

Группа молодых ученых под руководством Филиппа Корнеева нашла и описала схему взаимодействия, при котором генерируется импульс излучения с уникальными свойствами – довольно длинный, хорошо направленный, с контролируемыми частотой и поляризацией.

«Мы предложили использовать миниатюрную разомкнутую круговую антенну, облучаемую с одного края. Под воздействием сверхмощного лазерного импульса возбуждается чрезвычайно интенсивная поверхностная плазменная разрядная волна. Она распространяется по замкнутому, за счет разлетающейся плазмы, контуру. Такое колебание тока приводит к генерации излучения с периодом, равным времени прохождения тока по контуру. В результате, энергия лазера преобразуется в мощный терагерцовый импульс с уникальными характеристиками и с очень высокой эффективностью», – пояснил Корнеев.

По мнению авторов, разработанный подход к генерации сверхмощного ТГц излучения позволит, в перспективе, существенно расширить область его применения в технологиях будущего.