Newswise — Лежащий между микроволновой и инфракрасной областями электромагнитного спектра, терагерцовый диапазон (1 ТГц = 10¹² Гц) разрыв быстро закрывается за счет разработки новых терагерцовых источников и детекторов с многообещающими применениями в спектроскопии, визуализации, зондировании и связи. Эти приложения значительно выигрывают от использования терагерцовых источников, обеспечивающих излучение высокой энергии или высокой средней мощности. С другой стороны, терагерцовые источники высокой интенсивности или сильного поля необходимы для наблюдения или использования новых нелинейных взаимодействий терагерца с материей, где напряженность электрического и/или магнитного поля играет ключевую роль.

В новой статье (https://doi.org/10.1038/s41377-024-01462-w), опубликованной в Световая наука и приложения группа ученых под руководством доктора Чула Канга из Научно-исследовательского института передовой фотоники Института науки и технологий Кванджу (GIST), Корея, и профессора Ки-Ёнг Кима из Института исследований в области электроники и прикладной физики Университета Мэриленда, В Колледж-Парке, штат Мэриленд, США, созданы самые сильные в мире терагерцовые поля с напряженностью 260 мегавольт на сантиметр (МВ/см) или эквивалентной пиковой интенсивностью 9 ´ 10.¹³ ватт на квадратный сантиметр (Вт/см²). Эта пиковая напряженность поля или интенсивность является самым высоким значением, достигнутым на сегодняшний день на терагерцовых частотах (0,1 ~ 20 ТГц), включая все типы терагерцовых источников, использующих лазеры, лазеры на свободных электронах, ускорители и вакуумную электронику.

Для получения высокоэнергетических терагерцовых импульсов ученые использовали титан-сапфировый лазер мощностью 150 тераватт для преобразования оптической энергии в терагерцовое излучение (так называемое оптическое выпрямление) в ниобате лития (LiNbO).₃), кристалл, демонстрирующий сильные нелинейности и высокий порог повреждения. В частности, они использовали пластину ниобата лития большого диаметра (75 мм), также легированную 5% оксидом магния (MgO), для получения терагерцового излучения с возможностью увеличения энергии.

Для эффективного преобразования оптического излучения в терагерцовое необходимо учитывать еще один важный фактор: согласование фаз (или скоростей). Ученые объяснили: «Если оптический лазерный импульс, генерирующий терагерцовое излучение, распространяется с той же скоростью, что и генерируемые терагерцовые волны в ниобате лития, то выходная терагерцовая энергия может непрерывно расти с расстоянием распространения».

«Обычно метод наклонного фронта импульса используется для обеспечения фазового синхронизма в ниобате лития призматической формы. Однако этот метод производит в основном низкочастотное терагерцовое излучение, обычно с пиком менее 1 ТГц, что, естественно, приводит к относительно большим размерам фокусного пятна (~ мм), что, как следствие, ограничивает пиковую напряженность терагерцового поля в фокусе», — добавили они.

Ранее они обнаружили новое условие фазового синхронизма в ниобате лития, которое не требует наклона фронта импульса. Они отметили: «Скорость терагерцовых волн обычно зависит от частоты и настолько сильно варьируется между двумя фононными резонансными частотами, что существует частота, на которой как терагерцовые, так и лазерные импульсы распространяются с одинаковой скоростью. Это происходит примерно на частоте 15 ТГц для импульсов титан-сапфирового лазера с центральной длиной волны 800 нм. Этот фазовый синхронизм позволил создавать терагерцовые волны миллиджоульного уровня. Более того, результирующее излучение частотой 15 ТГц может быть сильно сфокусировано, потенциально создавая в фокусе сильные электромагнитные поля».

Ученые тщательно определили пиковую напряженность электрического и магнитного поля, 260 ± 20 МВ/см и 87 ± 7 Тл в фокусе, путем отдельного измерения терагерцовой энергии, размера фокального пятна и длительности импульса.

«Такой интенсивный терагерцовый импульс, сфокусированный на газообразной или твердой среде, может туннельно ионизировать составляющие его атомы или молекулы и превратить среду в плазму. В качестве доказательства принципа мы продемонстрировали терагерцевую ионизацию различных твердых мишеней, включая металлы, полупроводники и полимеры», — подчеркнули они.

«В нашем терагерцовом источнике используется плоский кристалл ниобата лития, и он обещает еще больше увеличить выходную энергию и напряженность поля. Это может генерировать сверхсильные (~ ГВ/см) терагерцовые поля», — добавили они.

Ученые полагают, что их исследования откроют новые возможности не только для изучения нелинейных эффектов в терагерцовой плазме, но и для использования терагерцовых пондеромоторных сил для различных приложений, включая генерацию многокэВных терагерцовых гармоник и даже изучение релятивистских эффектов с помощью терагерцово-ускоренных электронов. .

###

Рекомендации

DOI

10.1038/s41377-024-01462-w

Исходный URL-адрес источника

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01462-w

Информация о финансировании

Эта работа поддерживается Исследовательским институтом APRI-GIST (GRI 2023) и Национальным исследовательским фондом Кореи (NRF-2022R1A2C1012263). KYK признает Управление научных исследований ВВС (FA9550-16-0163) и Управление военно-морских исследований (N00014-17-1-2705).

О Свет: наука и приложения

Свет: наука и приложения в первую очередь будет публиковать новые результаты исследований по новейшим и новым темам оптики и фотоники, а также освещать традиционные темы оптической техники. В журнале будут публиковаться оригинальные статьи и обзоры, которые отличаются высоким качеством, вызывают большой интерес и имеют далеко идущие последствия.