В ИЯФ СО РАН создали новый метод генерации терагерцевого излучения в плазме
![В ИЯФ СО РАН создали новый метод генерации терагерцевого излучения в плазме]()
Новый метод генерации терагерцевого (ТГц) излучения в плазме для создания источника такого излучения, способного достичь высоких значений энергии и мощности, разработали специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 10 сентября сообщает пресс-служба института.
Новый метод генерации терагерцевого излучения, отмечают разработчики, может быть использован, например, для создания «настольных» установок для изучения искусственной намагниченности и сверхпроводимости веществ, для создания устройств сканирования и неразрушающего контроля и др.
Поскольку в терагерцевом диапазоне лежат частоты колебаний кристаллических решеток различных веществ, ТГц излучение может применяться для задач, требующих направленного воздействия на состояния вещества.
Моделирование предложенного метода генерации терагерцевого излучения показало, что он обеспечивает эффективность преобразования энергии лазерного излучения в энергию терагерцевых волн на уровне 1% и позволяет адаптировать схему к лазерным системам петаваттного (10¹⁵ Вт) класса.
Результаты моделирования были представлены в статье «Высокоэффективное многоцикловое терагерцовое излучение, генерируемое встречно распространяющимися модулированными кильватерными полями в однородной плазме» (Highly efficient multi-cycle terahertz radiation driven by counter-propagating modulated wakefields in a homogeneous plasma), опубликованной в журнале Physics of Plasmas, том 33, выпуск 5.
Одна из авторов статьи, инженер ИЯФ СО РАН Евгения Волчок пояснила актуальность разработанного в институте метода:
«Терагерцевое излучение хорошо тем, что оно неионизирующее, а это значит, что оно свободно проникает во многие вещества, не разрушая их химические связи. 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».
Однако, считает инженер ИЯФ СО РАН, наиболее интересное применение ТГц излучения может основываться на оказываемом им воздействии на кристаллические решетки в твердом теле. Это, например, позволит создавать временную намагниченность или сверхпроводимость.
В настоящее время созданы различные источники терагерцевого излучения. Одни из них формируют короткие и мощные импульсы с большой шириной спектра, другие же могут иметь узкую спектральную линию излучения.
«Для того чтобы получить узкополосный источник, нужно возбудить в веществе долгоживущие колебания, — отметила 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».
Мощное терагерцевое излучение с узким спектром обеспечивают лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Так, в ИЯФ СО РАН создан уникальный источник такого излучения, средняя мощность импульсов которого не имеет аналогов в мире — НЛСЭ (новосибирский лазер на свободных электронах).
«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», — рассказала Евгения Волчок.
Метод генерации узкополосного терагерцевого излучения в плазме, предложенный специалистами ИЯФ СО РАН, основан на механизме встречных сталкивающихся потенциальных волнах с несовпадающими поперечными профилями.
Перспективность плазменных источников, указала инженер ИЯФ СО РАН, основана на том, что в ионизированном газе можно создавать долгоживущие колебания с большой амплитудой. Эти колебания в вакууме конвертируются в излучение терагерцевого диапазона. Однако сами по себе колебания, возбуждаемые электронными пучками или лазерными импульсами, в вакуум выйти не могут. Задачей же исследователей создать способы добиться этого.
«Мы решили эту задачу, запустив в плазму не один лазерный импульс, а два навстречу друг другу, — пояснила Евгения Волчок. — 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».
То есть исследователи ИЯФ СО РАН сумели превратить энергию плазменных колебаний в электромагнитное излучение. Далее перед ними встала задача повысить количество энергии, преобразуемое в излучение. Для этого они намерены 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. А 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», — дополнила свой рассказ Евгения Волчок.
С этой целью физики института создали аналитическую теорию и выполнили моделирование. Его результат показал, что улучшенный механизм на встречных волнах позволяет достичь эффективности гипотетического источника терагерцевого излучения в один процент.
«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», — заключила исследователь.
Специалисты ИЯФ СО РАН запланировали проведение экспериментов по генерации ТГц волн в плазме, используя разработанный ими усовершенствованный механизм, который должен подтвердить возможность достижения полученных при моделировании параметров излучения.
Новый метод генерации терагерцевого (ТГц) излучения в плазме для создания источника такого излучения, способного достичь высоких значений энергии и мощности, разработали специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 10 сентября сообщает пресс-служба института.
Новый метод генерации терагерцевого излучения, отмечают разработчики, может быть использован, например, для создания «настольных» установок для изучения искусственной намагниченности и сверхпроводимости веществ, для создания устройств сканирования и неразрушающего контроля и др.
Поскольку в терагерцевом диапазоне лежат частоты колебаний кристаллических решеток различных веществ, ТГц излучение может применяться для задач, требующих направленного воздействия на состояния вещества.
Моделирование предложенного метода генерации терагерцевого излучения показало, что он обеспечивает эффективность преобразования энергии лазерного излучения в энергию терагерцевых волн на уровне 1% и позволяет адаптировать схему к лазерным системам петаваттного (10¹⁵ Вт) класса.
Результаты моделирования были представлены в статье «Высокоэффективное многоцикловое терагерцовое излучение, генерируемое встречно распространяющимися модулированными кильватерными полями в однородной плазме» (Highly efficient multi-cycle terahertz radiation driven by counter-propagating modulated wakefields in a homogeneous plasma), опубликованной в журнале Physics of Plasmas, том 33, выпуск 5.
Одна из авторов статьи, инженер ИЯФ СО РАН Евгения Волчок пояснила актуальность разработанного в институте метода:
«Терагерцевое излучение хорошо тем, что оно неионизирующее, а это значит, что оно свободно проникает во многие вещества, не разрушая их химические связи. 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».
Однако, считает инженер ИЯФ СО РАН, наиболее интересное применение ТГц излучения может основываться на оказываемом им воздействии на кристаллические решетки в твердом теле. Это, например, позволит создавать временную намагниченность или сверхпроводимость.
В настоящее время созданы различные источники терагерцевого излучения. Одни из них формируют короткие и мощные импульсы с большой шириной спектра, другие же могут иметь узкую спектральную линию излучения.
«Для того чтобы получить узкополосный источник, нужно возбудить в веществе долгоживущие колебания, — отметила 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».
Мощное терагерцевое излучение с узким спектром обеспечивают лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Так, в ИЯФ СО РАН создан уникальный источник такого излучения, средняя мощность импульсов которого не имеет аналогов в мире — НЛСЭ (новосибирский лазер на свободных электронах).
«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», — рассказала Евгения Волчок.
Метод генерации узкополосного терагерцевого излучения в плазме, предложенный специалистами ИЯФ СО РАН, основан на механизме встречных сталкивающихся потенциальных волнах с несовпадающими поперечными профилями.
Перспективность плазменных источников, указала инженер ИЯФ СО РАН, основана на том, что в ионизированном газе можно создавать долгоживущие колебания с большой амплитудой. Эти колебания в вакууме конвертируются в излучение терагерцевого диапазона. Однако сами по себе колебания, возбуждаемые электронными пучками или лазерными импульсами, в вакуум выйти не могут. Задачей же исследователей создать способы добиться этого.
«Мы решили эту задачу, запустив в плазму не один лазерный импульс, а два навстречу друг другу, — пояснила Евгения Волчок. — 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».
То есть исследователи ИЯФ СО РАН сумели превратить энергию плазменных колебаний в электромагнитное излучение. Далее перед ними встала задача повысить количество энергии, преобразуемое в излучение. Для этого они намерены 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. А 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», — дополнила свой рассказ Евгения Волчок.
С этой целью физики института создали аналитическую теорию и выполнили моделирование. Его результат показал, что улучшенный механизм на встречных волнах позволяет достичь эффективности гипотетического источника терагерцевого излучения в один процент.
«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», — заключила исследователь.
Специалисты ИЯФ СО РАН запланировали проведение экспериментов по генерации ТГц волн в плазме, используя разработанный ими усовершенствованный механизм, который должен подтвердить возможность достижения полученных при моделировании параметров излучения.
