Физики освоили рапидную съемку в терагерцовом диапазоне

Ученые нашли способ фиксировать терагерцовое излучение с высокой частотой кадров. Для этого они пропускали сигнал сквозь пар из атомов цезия, которые превращали электромагнитные волны дальнего инфракрасного диапазона в зеленый свет, доступный для фиксации обычной камерой. В результате удалось впервые записать терагерцовое видео с частотой в три тысячи кадров в секунду, при этом сохраняя высокое разрешение и чувствительность, пишут авторы в журнале Physical Review X.

Терагерцовое излучение — это диапазон электромагнитных колебаний между инфракрасным спектром и радио. Длина этих волн примерно равна от 0,01 до 3 миллиметра, их также называют Т-лучами или субмиллиметровым излучением — последний термин принят в астрономии. В зависимости от контекста эти волны относят то к дальнему инфракрасному диапазону, то к микроволновой части радио диапазона.

Терагерцовое излучение представляет интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и в плане прикладных применений. С одной стороны, периоды колебаний терагерцовых волн примерно соответствуют типичному времени многих физических явлений, таких как колебания электронов в твердых телах и вибрации кристаллических решеток, с другой — это излучение можно использовать для просвечивания объектов с целью обеспечения безопасности или для получения медицинской информации.

Основная проблема в сфере изучения терагерцовых волн — недостаточное развитие методов генерации и регистрации. Источники и приемники существуют, но первые недостаточно эффективны, чтобы создавать яркий поток, а вторые обладают низкой чувствительностью, из-за чего им требуется время накопления сигнала, ограничивающее максимальную частоту съемки.

Британские физики из Даремского университета под руководством Кевина Уэверилла (Kevin Weatherill) придумали и реализовали новый метод фиксации терагерцового излучения, который позволяет записывать видео с частотой в тысячи кадров в секунду. Ключевой использованной идеей было преобразование сигнала с повышением частоты при прохождении излучения сквозь облако возбужденных атомов цезия. В результате после взаимодействия с атомами получался поток зеленого света видимого диапазона, который записывался обычной высокоскоростной камерой.

Преобразование с повышением частоты (апконверсия фотонов) происходило при взаимодействии с атомами цезия, находящимися в ридберговском состоянии, то есть при наличии одного высоковозбужденного электрона. Апконверсия заключается в поглощении одного фотона и последующем испускании фотона более высокой энергии. Выбор подходящего атома в нужном состоянии позволяет добиться высокой вероятности апконверсии и малого времени переизлучения. В данном случае поглощение терагерцового кванта света в 52,4 процентах случаев приводило к рождению фотона видимого диапазона.

Облако атомов находилось при температуре около 50 градусов Цельсия в кварцевой ячейке, а нужное состояние поддерживалось за счет трех лазеров, которые постоянно заново возбуждали атомы. Авторы просвечивали различные объекты излучением с частотой в 0,55 терагерц от постоянного источника и фокусировали его на облаке атомов. В результате ученым удалось записать видео с частотой до трех тысяч кадров в секунду, при этом сохраняя близкую к дифракционному пределу разрешающую способностью. Также данная система выгодно отличается от аналогов одновременной фиксацией полных кадров, а не попиксельным сканированием, как в случае многих аналогов.

Исследователи отмечают, что дополнительные усовершенствования могут значительно улучшить систему. В частности, предельная частота кадров ограничена временем жизни данного возбужденного состояния атома цезия, которое составляет 0,8 микросекунд. Это значит, что теоретически возможно создавать видео примерно с миллионом кадров в секунду. Также существует много других атомов с подходящими переходами, что позволяет создавать «многоцветное» видео, комбинируя несколько спектральных каналов.

Ранее ученые зарегистрировали терагерцовое излучение воды, сгенерировали рекордно мощные импульсы терагерцового излучения и впервые создали лазер терагерцового диапазона, не требующий криогенного охлаждения.

Тимур Кешелава