Учёные ИЯФ СО РАН нашли способ сделать источник терагерцевого излучения компактнее

Учёные из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) предложили способ получать узкополосное терагерцевое излучение в плазме, который в перспективе позволит создавать компактные — «настольные» — установки.

Терагерцевый диапазон интересен сразу многим областям. Такое излучение неионизирующее, поэтому свободно проходит сквозь вещества, не разрушая химических связей, — отсюда сканеры в аэропортах и просвечивание упаковок с лекарствами на производстве. Кроме того, на эти частоты приходятся колебания кристаллических решёток, а значит, с их помощью можно целенаправленно менять состояние вещества — например, временно намагничивать его или вызывать сверхпроводимость. Не исключено, что диапазон ляжет и в основу новых стандартов связи.

Однако нужного источника до сих пор нет. Одни устройства дают короткие мощные импульсы с широким спектром, другие — узкую линию, но слабую амплитуду. Чтобы получить узкополосное излучение, в веществе нужно возбудить долгоживущие колебания, а обычные материалы при длительной накачке разрушаются. Исключение — лазеры на свободных электронах, и новосибирский НЛСЭ ИЯФ СО РАН по средней мощности импульсов не имеет аналогов в мире. Но это огромная установка, которую не всякая лаборатория может себе позволить. Поэтому теоретическая группа института ищет методы генерации в плазме — ради более компактных решений.

Предложенный механизм основан на встречном столкновении потенциальных волн с несовпадающими поперечными профилями. В ионизированном газе удаётся создавать долгоживущие колебания большой амплитуды, но сами по себе в вакуум они не выходят — эту проблему исследователи решают по-разному. Новосибирцы запускают в плазму не один лазерный импульс, а два навстречу друг другу, задавая волнам разные поперечные профили. Так возникает нескомпенсированный электрический ток, который и становится источником излучения: при столкновении волн рождаются колебания на удвоенной частоте, способные распространяться в вакууме. Энергия плазменных колебаний превращается в электромагнитное излучение.

Следующий шаг — повысить долю энергии, которая эффективно уходит в излучение. Идея в том, чтобы сталкивать широкие плазменные волны с мелкомасштабной модуляцией интенсивности: каждую волну можно сформировать парой лазерных пучков, сфокусированных в одну точку под малым углом к оптическим осям. Широкие волны вмещают больше энергии — значит, больше и излучается. К тому же они слабее дифрагируют, поэтому область излучения получается в несколько раз больше, чем в исходном варианте. В сумме это даёт рост эффективности на два порядка, рассказали в ИЯФ СО РАН.

Аналитическая теория и моделирование показали: улучшенный механизм позволяет довести эффективность гипотетического источника до 1%. Для лазерно-плазменных схем типичны сотые доли процента, так что речь идёт о двукратном по порядку увеличении. По словам инженера ИЯФ СО РАН Евгении Волчок, в будущем на основе этой работы можно создавать относительно компактные источники узкополосного терагерцевого излучения для разных приложений.

Дальше учёные планируют эксперименты: проверить генерацию терагерцевых волн в плазме с помощью усовершенствованного механизма и подтвердить параметры, полученные при моделировании.