Высокоэффективные импульсные источники широкополосного терагерцового излучения на основе лазерной филаментации в жидкостях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00097

НазваниеВысокоэффективные импульсные источники широкополосного терагерцового излучения на основе лазерной филаментации в жидкостях

Руководитель Цыпкин Антон Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слова филаментация в жидкостях, нелинейная фемтосекундная оптика, импульсное терагерцовое излучение, источники излучения ТГц диапазона частот

Код ГРНТИ29.31.26

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Терагерцовый (ТГц) диапазон частот привлекает большое количество исследователей, как из области радиофизики, так и из оптики, благодаря своим уникальным свойствам. Особую популярность получили оптические системы ТГц спектроскопии, которые позволяют по-новому анализировать вещества и материалы на фундаментальном уровне, а также изучать жизненно важные процессы, связанные со здоровьем человека и его безопасностью, и использовать принципы работы таких систем для инновационных способов обработки и передачи информации. Данный проект направлен на поиск, исследование и теоретическое обоснование новых источников генерации терагерцового излучения на основе филаментации в жидкостях. В современных высокоинтенсивных системах ТГц спектроскопии в качестве источников излучения используются в основном твердотельные материалы. На данный момент твердотельные источники позволяют генерировать широкополосное излучение с максимальной эффективностью порядка одного процента (10^(-2) - 10^(-3)). Основным недостатком в этом случае является порог разрушения материалов под воздействием высокоинтенсивных сверхкоротких импульсов. Отдельно необходимо отметить разработки источников на основе лазерной фемтосекундной филаментации в воздухе и газах. Источники, использующие филаментацию недостаточно стабильны и удобны, по сравнению с твердотельными материалами, но данный подход позволяет управлять не только амплитудой (интенсивностью) ТГц поля, но и его спектральным составом, фазой и поляризацией, путем варьирования задающего фемтосекундного излучения. Максимальная эффективность генерации терагерцового излучения достигается в случае двухцветной филаментации (эффективность (10^(-3) - 10^(-4)). До последнего времени использование жидкостей в ТГц спектроскопии, считалось невозможным, в связи с тем, что они сильно поглощают ТГц излучение. В 2017 году ученые из Университета Рочестера экспериментально продемонстрировали генерацию ТГц излучения в результате филаментации в пленке воды. Это открытие произвело фурор в научной общественности (http://www.laserfocusworld.com/articles/2017/09/femtosecond-laser-pulses-produce-terahertz-radiation-from-water.html) и неоднократно апробировалось в качестве пленарных докладов на различных международных конференциях (например, на пленарном докладе Qi Jin, Yiwen E., Liangliang Zhang, Anton Tcypkin Sergey Kozlov, Xi-Cheng Zhang THz Aqueous Photonics And Beyond International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) September 09-14, 2018, Nagoya Congress Center, Nagoya, Japan). Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является использование жидкости в ТГц спектроскопии, а именно ее использование в качестве источника импульсного широкополосного ТГц излучения. Но прежде чем создавать новые более эффективные источники ТГц излучения на основе жидкостей, необходимо проделать большой объём фундаментальных исследований, что и планируется в данном проекте. При генерации ТГц излучения в жидкости используется тот же эффект, что и в газах – филаментация. Одним из важных моментов, отвечающих за эффективность генерации ТГц излучения при филаментации, является эффект ионизации среды, при котором увеличивается количество свободных электронов на внешнем энергетическом уровне. Энергия ионизация для жидкости в разы меньше, чем для газа, и при этом молекулярная плотность вещества на три порядка выше, что увеличивает количество свободных электронов и соответственно. говорит о возможности большей эффективности генерации ТГц излучения при сравнении с газом. А благодаря увеличению интенсивности возбуждающего среду фемтосекундного излучения, можно генерировать более высокоинтенсивное излучение по сравнению с кристаллами. Первые эксперименты показали, что эффективность генерации ТГц излучения в пленках жидкости для чирпированных импульсов уже на несколько порядков превышает эффективность генерации в одноцветном филаменте в воздухе для спектральноограниченных сверхкоротких импульсов (коэффициент преобразования 10^(-4)). Стоит отметить работу по генерации широкополосного ТГц излучения методом одноцветной филаментации в различных жидкостях, помещенных в кюветы из ИК кварца. В работе была показана более эффективная генерация ТГц излучения (10^(-3) коэффициент преобразования) (Dey I. et al. Highly efficient broadband terahertz generation from ultrashort laser filamentation in liquids //Nature Communications. – 2017. – Т. 8. – №. 1. – С. 1184.), чем при использовании двухцветного филамента. Однако на самом деле в работе исследуется генерация суперконтинуума фемтосекундным лазерным импульсом в жидкостях в его длинноволновой части. Об этом явно свидетельствуют автокорреляционные функции, соответствующие суперконтинууму и генерации ТГц при двуцветной накачке в воздухе, приведенные в работе. Но, несомненно, все эти первые результаты говорят о высокой эффективности таких источников. Анализ проведенного в рамках проекта экспериментального исследования и разработка по его результатам теоретической модели позволит более детально понимать физику процесса генерации ТГц излучения в жидкостях. Это в свою очередь даст возможность в дальнейшем повысить эффективность генерации ТГц излучения за счет более подробного систематического исследования закономерностей генерации в струях жидкости, за счет подбора различных жидкостей. В результате это позволит разработать новые устройства на основе жидкостей для ТГц спектроскопии. В связи со всем вышесказанным данное направление является пионерским и в нем существует огромный пласт невыполненных работ. Авторы проекта предполагают развить новый подход генерации ТГц излучения в струях жидкостей. Они предлагают усовершенствовать недавно предложенный метод, значительно улучшить эффективность генерации, определить диаграмму направленности ТГц излучения, исследовать возможность использования различных жидкостей в качестве генератора излучения и определить закономерности параметров ТГц излучения от свойств жидкостей. Планируется использовать струи в виде не только пленки, но и в виде нитей. Подобная модификация позволит избежать отражения излучения накачки, что приведет к увеличению эффективности генерации ТГц излучения. На основе полученных экспериментальных результатов планируется разработать теоретическую модель, позволяющую предсказывать результаты генерации ТГц излучения в различных жидкостях. Помимо этого, планируется проведение исследования для случая множественной импульсной накачки, где первый импульс создает плазму (ионизирует среду), второй создает ТГц поле в уже ионизированной среде. В данном случае второй импульс не будет тратить энергию на ионизацию среды, что увеличит эффективность преобразования. По результатам экспериментов планируется создать теоретическую модель с учетом многоимпульсной накачки для возможности предсказания результатов экспериментов в случае использовании различных жидкостей. Все перечисленные работы позволят определить оптимальные условия генерации ТГц излучения из жидкостей и прийти к созданию устройств на основе жидких материалов для генерации ТГц излучения. На финальной стадии проекта планируется разработать макет и создать прототип блока системы генерации терагерцового излучения на основе струи жидкости с изменяемыми выходными характеристиками. Разработанные устройства пройдут экспериментальную апробацию. Использование знаний, полученных в результате этого проекта, позволит значительно продвинуть предшествующие исследования. Этот проект является еще одним важным шагом на пути к пониманию ранее неисследованной физики генерации ТГц излучения при филаментации в жидкости. Успешная реализация данного проекта откроет широкие перспективы для внедрения в современную индустрию высокомощных генераторов широкополосного ТГц излучения на основе жидкостей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Цыпкин А.Н., Пономарева Е.А., Путилин С.Э., Смирнов С.В., Штумпф С.А., Мельник М.В., Е И., Козлов С.А., Жанг К.-Ч. Flat liquid jet as a highly efficient source of terahertz radiation Optics Express, Vol. 27, No. 11, pp. 15485-15494 (год публикации - 2019)
10.1364/OE.27.015485

2. Пономарева Е.А., Цыпкин А.Н., Смирнов С.В., Путилин С.Э., Е И., Козлов С.А., Жанг К.-Ч. Double-pump technique – one step closer towards efficient liquid-based THz sources Optics Express, Vol. 27, No. 22, pp. 32855-32862 (год публикации - 2019)
10.1364/OE.27.032855

3. Пономарева Е.А., Путилин С.Э., Гендрина А.А., Смирнов С.В., Цыпкин А.Н., Е И., Козлов С.А., Жанг К.-Ч. Double pulse excitation for enhancing THz generation in liquid jets 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), pp. 8874430 (год публикации - 2019)
10.1109/IRMMW-THz.2019.8874430

4. Штумпф С.А., Пономарева Е.А., Цыпкин А.Н., Путилин С.Э., Королев А.А., Козлов С.А. Temporal field and frequency spectrum of intense femtosecond radiation dynamics in the process of plasma formation in a dielectric medium Laser Physics, Vol. 29, No. 12, pp. 124014 (год публикации - 2019)
10.1088/1555-6611/ab4dac

5. Пономарева Е.А., Путилин С.Э., Цыпкин А.Н., Е И., Козлов С.А., Жанг К.-Ч. Comparison of various liquids as sources of terahertz radiation from one-color laser filament Proc. SPIE 11196, Infrared, Millimeter-Wave, and Terahertz Technologies VI, Vol. 11196, pp. 1119608 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2536763

6. Пономарева Е.А., Штумпф С.А., Цыпкин А.Н., Козлов С.А. Impact of laser-ionized liquid nonlinear characteristics on the efficiency of terahertz waves generation Optics Letters, Vol. 44, No. 22, pp. 5485-5488 (год публикации - 2019)
10.1364/OL.44.005485

7. Пономарева Е.А., Жукова М.О., Исмагилов А.О., Щеглов П.А., Чащин М.В., Назаров М., Цыпкин А.Н. Strong terawatt pulses for the efficient plasma-based x-rays generation in flat water jet Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 54, No. 1, pp. 015204 (год публикации - 2020)
10.1088/1361-6463/abb9d3

8. Пономарева Е.А., Исмагилов А.О., Путилин С.Э., Цыпкин А.Н., Козлов С.А. Laser and matter properties effect on the enhancement of THz waves energy generated during liquid jets double-pulse excitation Proc. SPIE 11582, Fourth International Conference on Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection, and Applications, 115820A (год публикации - 2020)
10.1117/12.2579641

9. Пономарева Е.А., Исмагилов А.О., Гендрина А.А., Путилин С.Э., Цыпкин А.Н., Козлов С.А. The influence of the pre-plasma effect on the enhancement of the THz waves generation during liquid jets double pulse excitation with various laser pulse parameters ICLO 2020 Conference Proceedings (год публикации - 2020)

10. Пономарева Е.А., Исмагилов А.О., Путилин С.Э., Цыпкин А.Н., Козлов С.А., Жанг К.-Ч. Varying pre-plasma properties to boost terahertz wave generation in liquids Communications Physics (год публикации - 2021)

11. Пономарева Е.А., Исмагилов А.О., Путилин С.Э., Цыпкин А.Н. Features of the plasma induced in water and ethanol jets under the action of strong subpicosecond IR pulses 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), С. 1-2 (год публикации - 2021)
10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567154

12. Исмагилов А.О., Пономарева Е.А., Жукова М.О., Путилин С.Э., Наседкин Б.А., Цыпкин А.Н. Liquid jet-based broadband terahertz radiation source Optical Engineering, №. 8, Т. 60, С. 082009. (год публикации - 2021)
10.1117/1.OE.60.8.082009

13. Е.И., Жанг Л., Цыпкин А.Н., Козлов С.А., Жанг К., Жанг К-Ч. Broadband THz Sources from Gases to Liquids Ultrafast Science, T. 2021, C. 1-17 (год публикации - 2021)
10.34133/2021/9892763

14. Е.И., Жанг Л., Цыпкин А.Н., Козлов С.А., Жанг К., Жанг К-Ч. Progresses, challenges, and opportunities of THz emission from liquids Journal of the Optical Society of America B (год публикации - 2021)

15. Пономарева Е.А., Исмагилов А.О., Путилин С.Э., Цыпкин А.Н. Plasma reflectivity behavior under strong subpicosecond excitation of liquids APL Photonics, Vol.6., No.12, P.126101 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0070963

Публикации