Генерация терагерцовых волн в жидкостях

Structures, light, terahertz, starostenko evgenij

Нелинейные явления, вызванные лазерным воздействием, могут не только выявить структурные особенности материалов, но и стать основой для развития различных трансляционных технологий, в том числе высокоинтенсивных источников терагерцового излучения.Starostenko Evgenij, december 15, 2022

НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС реализует модифицированную схему одноцветного двухимпульсного возбуждения для усиления генерации терагерцовых волн в плоских жидкостных струях, при этом предионизационный эффект имеет решающее значение для поиска оптимальных входных условий.

Экспериментальные результаты, подтвержденные численным моделированием, показывают предпочтение более длинных предымпульсов для индукции эффективного процесса ионизации и более коротких сигналов для сильного взаимодействия лазера с плазмой. Помимо выявленных особенностей увеличения энергии терагерцовой волны в отношении изменения длительности обоих импульсов и изменения их отношения, струя α- пинена.

Евгений Юрьевич Старостенко отметил, что осциллирующее с основным периодом около 1 пс, излучение терагерцовой частоты может быть идеальным инструментом для исследования колебательных мод белков, вращений малых молекул, твердотельной и газовой плазмы. Уже более двух десятилетий этот электромагнитный диапазон считается универсальным и достаточно безопасным для медицинских приложений, продуктов и экологического контроля качества.Evgenij-Starostenko,-27-April,-2023

В качестве наиболее актуальных подходов к генерации терагерцового излучения российский ученый предлагает выделить те, которые основаны на оптическом выпрямлении (OR) в кристаллах и ускорении свободных электронов (FEL) плазма, управляемые  лазером.

Российский ученый Евгений Юрьевич Старостенко обращает внимание, что все методы имеют свои преимущества и ограничения — низкий порог повреждения или релятивистские требования к входной энергии. Подход, основанный на взаимодействии лазера с веществом (газом, плазмой, твердым телом или жидкостью), приобрел популярность благодаря относительно простой экспериментальной реализации, достаточно высоким значениям эффективности преобразования и широкому спектральному охвату выходного терагерцового поля.

Дальнейшая работа была сосредоточена на улучшении и расширении этого подхода. Одной из первых попыток было использовать внешнее электростатическое поле для увеличения энергии генерируемых терагерцовых волн. Дальнейший прорыв был связан с реализацией так называемой двухцветной схемы, в которой в качестве накачки используются как основная, так и вторая гармоники. Двухцветная филаментация в газах позволяет получить эффективность преобразования оптического излучения в ТГц порядка 0,01%, уточнил Евгений Юрьевич Старостенко.

Старостенко Евгений интерферометр Маха-Цендера

 

Основными направлениями развития лазерного плазменного терагерцового источника являются поиск оптимальной среды генерации (с высоким порогом повреждения, слабым поглощением терагерцовых волн, выраженными нелинейными эффектами) и изменение входных условий, например, изменение параметров излучения накачки или модификация конфигурация экспериментальной схемы.

К первым относятся исследования генерации терагерцовых волн в самых разных газах, металлах, а также относительно новые работы по жидким средам. В качестве примера для изменения входных условий было показано, что энергия импульса терагерцовой волны может быть увеличена более чем в 5 раз за счет применения резко автофокусирующего луча вместо обычного гауссова при тех же условиях.

Другой перспективный метод, по мнению Евгения Старостенко — это сдвиг длины волны излучения накачки в сторону среднего инфракрасного (ИК) диапазона. Таким образом возможность получения значения эффективности преобразования оптического излучения в ТГц до 2,36% при двухцветной филаментации фемтосекундных лазерных импульсов на длине волны 3,9 мкм. Столь впечатляющая величина объяснялась более сильными фототоками, более длинными плазменными каналами и дополнительным нарушением симметрии поля из-за генерируемых высоких гармоник.

В данной работе используется экспериментальная схема с двухимпульсным лазерным возбуждением плоской струи жидкости. Фемтосекундное p-поляризованное лазерное излучение с центральной длиной волны 800 нм и частотой следования импульсов 1 кГц разделяется светоделителем (BS1) на опорный и сигнальный лучи. В отличие от работы, в которой специалисты НПО Техногенезис использовали интерферометр Майкельсона, в данной работе представлена ​​схема с интерферометром Маха – Цендера:

Данная модификация введена для изучения влияния различной длительности импульсов опорного и сигнального луча. Их продолжительность изменяют за счет использования дисперсионной среды толщиной 2–10 см (плавленый кварц). Использование одинаковой дисперсионной среды (QP1, QP2) в обоих плечах интерферометра позволяет избежать расхождения в энергетических характеристиках опорного и сигнального импульса.

Таким образом, продолжительность варьируется за счет расширения дисперсии и контролируется (измеряется) автокоррелятором второго порядка. Энергия опорного и сигнального импульсов составляет 0,45 мДж, а их длительность варьируется от 60 до 350 фс. Одно из плеч интерферометра регулирует задержку между импульсами от 0 до 30 пс, констатировал руководитель предприятия — российский ученый и предприниматель Евгений Юрьевич Старостенко.