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 19-12-00097

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

РуководительЦыпкин Антон Николаевич, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2021 г.

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 словафиламентация в жидкостях, нелинейная фемтосекундная оптика, импульсное терагерцовое излучение, источники излучения ТГц диапазона частот

Код ГРНТИ29.31.26

СтатусУспешно завершен

---

 

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.

Ожидаемые результаты
2019 год 1. Модернизированная система для генерации терагерцового (ТГц) излучения на основе различных жидкостей с одноцветным оптическим возбуждением в струях различной формы (пленка или в виде нити), оптимизированная относительно следующих параметров: эффективности генерации от типа жидкостей, их термических и физических свойств, угол падения возбуждающего излучения на струю жидкости. 2. Новая теоретическая модель генерации ТГц излучения при филаментации в жидкости. Модернизированная система позволит повысить порог разрушения для исследования жидких ТГц генераторов. В случае нити эффект отражения излучения накачки будем значительно слабее, что также приведет к увеличению эффективности генерации ТГц излучения. Это, в свою очередь, приведет возможности создания источников ТГц излучения большей интенсивности. Разработанная теоретическая модель позволит предсказывать результаты экспериментов, определять, какие свойства жидкости и параметры эксперимента вносят более значимый вклад в генерируемое ТГц излучение. Описанные результаты приблизят нас к созданию высокоэффективных источников ТГц излучения. Жидкость является наиболее распространенным в мире материалом, а стало быть, использование ее в качестве генератора сделает такие источники ТГц излучения финансово малозатратными и простыми. 2020 год 1. База жидких материалов, позволяющих генерировать ТГц излучение, с указанием в ней максимальной эффективности генерации, а также наиболее важных параметров используемого материала (толщина и скорость струи, вязкость и температура жидкости и т.д.). 2. Модернизированная система для генерации терагерцового излучения на основе различных жидкостей в случае множественной импульсной накачки, где первый импульс создает плазму, а второй создает ТГц волну, оптимизированная относительно следующих параметров: эффективности генерации от типа жидкостей, их термических и физических свойств, угол падения возбуждающего излучения на струю жидкости. 3. Модель генерации ТГц излучения при филаментации в струях различных жидкостей в случае многоимпульсной накачки. На основе модернизированной модели будет подготовлена целая база жидкостей с коэффициентом эффективности преобразования ИК излучения в ТГц, что значительно упростит выбор жидкости для ТГц испытаний в дальнейшем. Отдельно необходимо выделить систему с двойной накачкой. Первые эксперименты свидетельствуют об увеличении эффективности на порядок. Помимо этого, на базе разработанной в первом году теоретической модели будет сделана теоретическая модель, учитывающая двойную накачку. 2021 год 1. Источник струи жидкости, который может по возможности менять толщину струи и тип жидкости. 2. Новые устройства-генераторы ТГц излучения при филаментации в жидкостях. Наконец, после проведения полного комплексного анализа генерации ТГц излучения при филаментации в жидкостях будет представлен прототип высокоэффективного генератора с эффективностью генерации, соответствующей твердотельным материалам (10^(-2) - 10^(-3)), но при этом обладающего большим порогом разрушения и простотой изготовления, что делает его перспективным в данной области. Более того, в проекте предлагается провести анализ технических характеристик изготовленного прототипа генератора. Направление исследований являются пионерскими в данной области. Создание альтернативных дешевых источников высокоинтенсивного ТГц излучения позволит расширить их применения в таких социально-значимых областях как: - диагностика, профилактика и лечение болезней (рак, диабет и др.) - системах безопасности и контроля с целью предотвращения террористических актов - искусство (неразрушающий контроль предметов культурного наследия) - пищевая промышленности (контроль качества и состава пищевой продукции)

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---