Физики сгенерировали рекордно мощные импульсы терагерцового излучения

Ученые разработали новый метод генерации терагерцового излучения, который позволяет получать импульсы с суммарной энергией 0,6 миллиджоулей, что на порядок больше предыдущих рекордов. Разработка открывает возможность создания компактных ускорителей частиц, пишут ученые в журнале Nature Communications.

Терагерцовый диапазон электромагнитного излучения располагается между микроволновыми и инфракрасным, обычно его границы определяют от 0,1 до 30 терагерц (10¹² герц). Этот диапазон также называют субмиллиметровым, так как это излучение с длинами волн от 3 до 0,01 миллиметра. Эти волны (их называют также Т-лучами) используют в медицине и сфере безопасности — они позволяют просвечивать багаж и одежду, но не опасны для здоровья, в отличие от рентгеновского излучения. Существует ряд научных применений терагерцовым волнам (спектроскопия), а также технологические — для передачи данных.

Особый интерес к Т-лучам во многом связан с тем фактом, что именно на этих частотах происходят многие физические процессы, например движения валентных электронов в твердых телах, вращение молекул, вибрации кристаллических решеток, прецессии спинов и другие. С одной стороны, использование такого излучения позволяет наблюдать эти процессы, а с другой — вмешиваться и управлять ими.

Одно из фундаментальных применений терагерцового излучения — ускорение заряженных частиц. Этот перспективный способ теоретически позволяет достичь набора энергии на уровне гигаэлектронвольт на сантиметр, что на порядки лучше, чем у современных ускорителей. В рамках данного направления существует несколько подходов: для некоторых нужны широкополосные импульсы излучения, которые одновременно содержат колебания на многих частотах, а для других нужны узкополосные сигналы, содержащие частоты в диапазоне порядка 1 процента от центральной. Если первая технология уже достаточно развита и ученые могут превращать оптическое излучение в терагерцовое с эффективностью порядка 1 процента, то во втором случае этого сделано не было.

В работе под руководством Андреаса Майера (Andreas Maier) и Франца Кертнера (Franz Kärtner) из Гамбургского университета предлагается новый способ генерации узкополосных импульсов, который оказался в 13 раз эффективнее предложенных ранее. Метод основан на эффекте генерации разностной частоты (DFG, difference-frequency generation) в оптически нелинейном двулучепреломляющем кристалле ниобата лития со специфической структурой из перемежающихся слоев с разной ориентацией.

Для получения терагерцового сигнала два импульса лазера оптического диапазона с небольшой временной задержкой направляются на кристалл. Обычно для этого генерируется два одинаковых импульса, один из которых движется по слегка более длинному пути. Импульсы необходимо создавать с частотным градиентом, так что в начале у них находятся низкие частоты, а потом следуют высокие, из-за чего в каждый момент времени разность частот между импульсами находится в терагерцовом диапазоне. Благодаря эффекту DFG на выходе кристалла получается нужное излучение.

В идеальном случае частотный градиент должен быть постоянен, так что получающаяся разница частот тоже будет постоянной. Однако в реальности так не получается: у генерируемых импульсов градиент увеличивается, поэтому разность частот также увеличивается, что не позволяет получить на выходе узкополосный сигнал. Прямолинейное решение этой проблемы, то есть выпрямление градиента, оказывается на практике труднореализуемым. Вместо этого авторы придумали способ изменения зависимости частоты от времени импульсов, который позволяет достичь практически постоянной разности частот, несмотря на нелинейный частотный градиент.

«Необходимые изменения одного импульса минимальны и удивительно просты в реализации: для этого достаточно включения в схему специальных зеркал, — поясняет Майер. — Оказалось, что это усиливает терагерцовый сигнал в 13 раз».

В результате ученым удалось создать импульсы с энергией 0,6 миллиджоулей с центральной частотой 0,361 терагерц и шириной полосы в 1 процент. Это рекорд для метода на основе эффекта генерации разностной частоты, и на порядок больше, чем для любого другого метода получения узкополосных терагерцового импульсов. Авторы считают, что достижение показывает потенциальную возможность создавать достаточно мощные импульсы для использования в компактных ускорителях частиц.

Ранее ученые впервые создали лазер на органическом диоде с прямой накачкой током, зарегистрировали терагерцовое излучение воды и заглянули с его помощью под изоляцию тросов.