В отличие от видимого света, ТГц излучение проникает через такие материалы, как пластик, картон, дерево и композитные материалы, что делает его отличной заменой вредным рентгеновским лучам, используемым при визуализации и обеспечении безопасности.Хотя хорошо известно, что электромагнитные волны ТГц диапазона могут передавать данные со сверхвысокой полосой пропускания, намного превосходящей возможности Wi-Fi, менее известно, что это очень полезный зонд для обнаружения молекул и анализа полупроводников.
Группа исследователей под руководством профессора Дино Ярошинского из отдела физики Стратклайда экспериментально показала, что сгустки релятивистских электронов с беспрецедентно высоким зарядом могут быть получены с помощью лазерного ускорителя кильватерного поля (LWFA). Они производятся в дополнение к обычным излучаемым пучкам с высокой энергией и низким зарядом.
Команда показала, что когда интенсивный ультракороткий лазерный импульс фокусируется в газообразном гелии, образуется плазменный пузырь, движущийся со скоростью, близкой к скорости света. Эти пучки электронов с высоким зарядом отличаются от обычных сгустков электронов с низким зарядом (пикоколомб), высокой энергии (от 100 МэВ до ГэВ) с фемтосекундной длительностью, которые обычно наблюдаются с помощью LWFA.Исследование опубликовано в New Journal of Physics.Профессор Ярошинский, директор Шотландского центра прикладных плазменных ускорителей (SCAPA), инициировавший проект, сказал: «Это беспрецедентная эффективность при таких энергиях ТГц диапазона.
Растущая доступность источников интенсивного ТГц диапазона приведет к совершенно новым возможностям. в науке и технике.«Новые инструменты для ученых ведут к новым достижениям. Взаимодействие интенсивного ТГц излучения с веществом открывает доступ к нелинейным процессам, что позволяет идентифицировать обычно скрытые явления, а также уникальное управление материей, такое как выравнивание молекул с использованием полей высокого ТГц или искажение зонная структура в полупроводниках.«SCAPA обеспечивает идеальную среду для исследования этих явлений, которые должны привести к новым достижениям в науке.
Наши теоретические исследования — первые шаги в этом захватывающем новом направлении».Доктор Энрико Брунетти из отдела физики Стратклайда выполнил большую часть моделирования в рамках исследования. Он сказал: «Поскольку заряд широкоугольных лучей линейно увеличивается с интенсивностью лазера и плотностью плазмы, энергия терагерцового излучения будет масштабироваться до миллиджоулей-уровней, что сделает интенсивный источник терагерцового излучения с пиковой мощностью, превышающей ГВт, который сравним с таковым у дальнего инфракрасного лазера на свободных электронах.
Может быть достигнута эффективность преобразования оптического диапазона в терагерцовый порядка 1% ».Доктор Сюэ Ян, исследователь проекта из Capital Normal University, сказал: «Когда электроны пересекают границу раздела между двумя средами с разной диэлектрической проницаемостью, переходное излучение испускается в широком диапазоне частот.
«Моделирование показывает, что широкоугольные электронные пучки, испускаемые ускорителями лазерного кильватерного поля, могут создавать когерентное терагерцовое излучение с энергией от 10 до 100 сДж при прохождении через тонкую металлическую фольгу или на границе плазма-вакуум ускорителя».ТГц излучение — это электромагнитное излучение дальнего инфракрасного диапазона с частотой от 0,1 ТГц до 10 ТГц (1 ТГц = 10-12 Гц), что соответствует среднему инфракрасному и микроволновому спектрам. Колебательные и вращательные спектральные отпечатки больших молекул совпадают с терагерцовым диапазоном, что делает терагерцовую спектроскопию мощным инструментом для идентификации опасных веществ, таких как наркотики и взрывчатые вещества.
Более того, ТГц излучение важно для биологии и медицины, потому что многие биологические макромолекулы, такие как ДНК и белки, имеют коллективное движение на частотах ТГц.ТГц излучение также можно использовать для раскрытия тонкостей полупроводников и наноструктур, и поэтому они являются важными инструментами для разработки новых электромеханических устройств и солнечных элементов.
Существует множество различных методов генерации ТГц излучения, включая возбуждение фототоков в полупроводниковых антеннах, возбуждение квантовых ям и оптическое выпрямление в электрооптических кристаллах. Однако их максимальная мощность ограничена из-за повреждения оптических материалов при высоких мощностях.
Плазма, напротив, не имеет такого ограничения, так как она уже сломана.Новое исследование показывает, что эти сгустки электронов с высоким зарядом — наноколомбами и относительно низкой энергией (МэВ) субпикосекундной длительности излучаются в полый конус с углом раскрытия почти 45 градусов к оси лазерного луча. Исследователи показывают, что энергия лазера может быть эффективно преобразована в очень интенсивный импульс ТГц излучения.
Исследование финансировалось Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам.