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ITMO、液体中でTHz放射の記録的効率達成

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February, 17, 2021, St. Petersburg--ITMOの物理学チームは、液体を使用して光放射をTHz放射に変換する方法を改善した。これは、最近まで、見込がないと考えられていた。しかし、そのような媒体で達成された 変換効率は,記録破りの0.1%である。X線放射と違い、テラヘルツ放射が無害であることは証明されている。また、医療セキュリティシステム、エコロジカルモニタリング、芸術作品の分析、食品産業で使用できることも証明されている。
 研究成果は、Communications Physics誌に発表された。

THzベースのデバイスは、まだ広く使われていない。問題は、信号強度が大気中で著しく低下することである。特に湿気を含むある障害物を透過するときに弱くなる。具体的には、THz信号がミリメートルの食塩水(特性は有機組織と同じ)を透過すると、その強度は5万倍低下する。それが強力でコンパクトな光源と、同様に高感度なTHzレシーバをを必要とする理由である。目的は、X線とTHzスキャナの置き替えである。

ITMO大学の研究チームは、最高の励起光源の一つ、レーザを使いTHz放射生成効率を高めることができた。以前の研究プロジェクトでは,チームは、液体内のフィラメント形成プロセスを改善した。これは、そのような問題を解決するために広く利用されている方法であり、光とTHz変換に基づいている。

光放射により、媒体との強力な相互作用(約1013-1014 W/cm2)でTHz領域が生まれる。フィラメント形成中に高強度レーザ放出が媒体をカスケード電離する。ここでは、電子が原子から分離される。電子が高励起状態に入り、全フィラメント長に沿ってプラズマチャネルが形成される。

そのフィラメントは、放射と媒体との相互作用後に残された発光スレッドである。このチャネル内には、様々な種類の放射形態、光、赤外、X線およびテラヘルツがある。今回は、研究チームは、通常のガス媒体ではなく、液体媒体にレーザビームを集束した。

液体がTHz放射をよく吸収することが分かっていたので、液体はTHz光源とは見なされていなかった。しかし、ITMO大学の研究チームは、THz放射は、ガス媒体中よりも液体媒体中で高効率に生成されることを確認した。このことは、ガスの中では分子密度が小さく、イオン化エネルギーが大きいことにより説明が着けられる。それが、ガス媒体中で励起電子の潜在的な数が少ない理由である。

ダブルパルス励起の助けを借りて研究チームは、光とTHz変換効率の新たな最高値に到達することができた(0.1%)。このアプローチの背後にある考えは、2つの励起パルスを媒体に送り込む点にある。最初の一つがその媒体を事前イオン化し、2番目が、最初のパルスからのプラズマとの相互作用の間に,そのTHz領域の強さを増強する。

実験結果は、数値シミュレーションで支持されており、より長いプレパルスが、効果的なイオン化プロセス誘導に望ましい、一方より短い信号の方が、強力なレーザとプラズマの相互作用に適している。

実施された研究によりチームは、様々な液体の2パルス励起における興味深い物理的規則を見つけ出すことができた。チームは、様々な液体中のTHzパルスが、最初のパルスで励起された後、数psで増幅されることを実証した。この現象は、プラズマの寿命に関係している。この仮定は、実験計測によって支持されている。

(詳細は、https://news.itmo.ru)