Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН представили новый метод генерации терагерцевого излучения в плазме. Моделирование показало, что механизм, предлагаемый новосибирскими физиками, позволяет достичь эффективности преобразования энергии лазерного излучения в энергию терагерцевых волн на уровне 1 % и адаптировать схему к лазерным системам петаваттного класса. Результаты опубликованы в журнале Physics of Plasmas.
Терагерцевый диапазон частот представляет интерес для широкого круга исследовательских областей — излучение этой части электромагнитного спектра можно использовать, например, для создания систем сканирования и неразрушающего контроля. Кроме того, в терагерцевом диапазоне лежат частоты колебаний кристаллических решеток различных веществ, что делает ТГц-излучение привлекательным инструментом для задач, связанных с направленным воздействием на состояния вещества. Для создания источника терагерцевого излучения, способного достичь высоких значений энергии и мощности, ученые предлагают различные варианты генерации.
«Терагерцевое излучение хорошо тем, что оно неионизирующее, а это значит, что свободно проникает во многие вещества, не разрушая их химические связи, — прокомментировала инженер ИЯФ СО РАН Евгения Павловна Волчок. — Соответственно, его можно использовать для сканирования различных веществ, или неразрушающего контроля — так, в некоторых аэропортах мира уже используют терагерцевые 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 терагерцевого излучения связано с его воздействием на кристаллические решетки в твердом теле, что позволяет изменять состояние вещества, например, создавать временную намагниченность или сверхпроводимость».
Источники терагерцевого излучения бывают разными: одни обеспечивают короткие и мощные импульсы с большой шириной спектра, другие, наоборот, имеют узкую спектральную линию излучения.
«Для того, 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 терагерцевого излучения с узким спектром являются лазеры на свободных электронах. В частности, Новосибирский лазер на свободных электронах — 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».
В основе метода генерации узкополосного терагерцевого излучения в плазме, предлагаемом специалистами ИЯФ СО РАН, — механизм на встречных сталкивающихся потенциальных волнах с несовпадающими поперечными профилями.
«Плазменные источники перспективны благодаря тому, что в ионизированном газе можно создавать долгоживущие колебания с большой амплитудой, которые при переходе в вакуум конвертируются в излучение терагерцевого диапазона, — пояснила Евгения Волчок. — Однако 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 задаем 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 способны 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. 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. 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 ее увеличению на два порядка. Теоретически, в будущем, используя нашу работу, на основе предложенного механизма можно создать относительно компактные источники узкополосного терагерцевого излучения для различных приложений», — дополнила Евгения Волчок.
В планах у специалистов — провести эксперименты по генерации терагерцевых волн в плазме при помощи усовершенствованного механизма и подтвердить возможность достижения тех параметров излучения, которые были получены при моделировании.
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
