В МИФИ создали новый метод фокусировки терагерцевого излучения

Новый тип дифракционных решеток, позволяющий фокусировать терагерцевое излучение, используемое для исследования внутренней структуры объектов и протекающих в них процессов, разработали специалисты международной научно-исследовательской лаборатории «Излучение заряженных частиц» Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ), 7 мая сообщает пресс-служба вуза.

Исследования выполнены в рамках проекта ИНТЭЛ «Радиофотоника и квантовая сенсорика» подпроекта «Терагерцовая фотоника на основе метаматериалов и наноплазмоники».

При движении электронов на малом расстоянии от периодической решетки со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, возникает так называемое излучение Смита-Парселла. Оно получило это название в честь двух американских ученых, впервые наблюдавших его в 1953 году: при движении электронов над металлической решеткой над ее поверхностью появлялась резкая светящаяся цветная линия.

Цвет этого луча (частота излучения) зависел от угла наблюдения и скорости электронов. Также свойства этого излучения зависели и от периода решетки. Ученые в своем эксперименте меняли ее период, поворачивая решетку на 90°.

Следует отметить, что еще в 1942 году этот тип излучения был теоретически предсказан советским ученым Ильей Франком.

Излучение Смита-Парселла активно исследуется учеными во всем мире как перспективный источник излучения, а также как способ диагностики очень быстрых электронных пучков на коллайдерах и ускорителях. В последнее время активно ведутся исследования этого типа излучения для создания на его основе управляемого прямо в процессе его работы источника излучения.

В международной научно-исследовательской лаборатории «Излучение заряженных частиц» проводятся теоретические исследования свойств излучения Смита-Парселла от фотонных кристаллов (искусственных сред, напоминающих обычные кристаллы, но только у них в узлах вместо атомов находятся объекты побольше — наночастицы, микрочастицы, отверстия, резонаторы различных форм и др.).

Особенно сотрудников лаборатории интересует генерация излучения Смита-Парселла от двумерных фотонных кристаллов — массивов частиц, расположенных в одной плоскости и образующих прямоугольную решетку, т. е. имеющих два периода в двух перпендикулярных направлениях.

Так как у такого кристалла нет толщины, то излучение практически не поглощается, а значит, интенсивность такого источника будет оставаться высокой. При этом наличие двух периодичностей дает больше возможностей для управления частотой и направлением распространения света.

Как можно улучшить источник, основанный на излучении Смита-Парселла от двумерного фотонного кристалла, показал аспирант МИФИ третьего года обучения Дамир Гараев.

Физики измеряют электромагнитное излучение в трех зонах пространства — ближней, дальней и находящейся между ними предволновой. Зоны различаются расстоянием от точки возникновения излучения до детектора, а также характеристиками излучения — спектрами частот и направлением распространения (спектральными и угловыми распределениями).

Принято измерять излучение от электронов в дальней зоне, где уже «сформировалось» поле излучения и оно отделилось от поля электрона, быстро убывающего с расстоянием.

В результате в этой зоне спектры частот излучения Смита-Парселла имеют четко выраженные и довольно узкие максимумы, а вся интенсивность сосредоточена по отдельным направлениям, что облегчает последующее использование этого излучения.

Но при очень большой скорости электрона дальняя зона находится очень далеко (до нескольких метров) от решетки, что неудобно при эксперименте. Выходом может стать регистрация излучения в ближней или предволновой зонах. Но поскольку поле излучения здесь еще не успело «сформироваться» и отделиться от поля электрона, спектры похожи на шум: в них нет выраженных максимумов, распределения довольно широкие, нет выделенных направлений распространения — излучение идет практически во все стороны с одинаковой интенсивностью.

На помощь пришла теория излучения Смита-Парселла от двумерных фотонных кристаллов, которую построил Дамир Гараев. Он описал свойства этого излучения на любых расстояниях от решетки до детектора.

Также Гараев рассчитал положение частиц фотонного кристалла на плоскости, при котором детектор можно ставить близко к решетке, а излучение при этом имело бы такие же спектр и угловое распределение, как если бы он стоял далеко. Ученый определил, что для этого частицы должны располагаться не в узлах прямоугольной решетки, а периодически, на изогнутых линиях с параболической и гиперболической формой изогнутости (что зависит от скорости электронов).

Такое расположение приводит к тому, что излучение от таких решеток фокусируется, подавляя при этом эффект ближней зоны (шумные спектры и расплывание излучения в пространстве).

Результаты участников исследования могут быть использованы для создания эффективных источников излучения, в том числе в ТГц диапазоне, а также для управления светом — его частотой и направлением распространения — в режиме реального времени, что очень важно для медицинских и биологических приложений.

Чрезвычайно важна возможность фокусировки излучения в том случае, когда, например, с помощью терагерцового излучения нужно диагностировать состояние кожи или изменение состава крови.

Точная фокусировка нужна также для того, чтобы уменьшить вред тканям или рассмотреть структуру образца в целевой области пространства. Кроме того, фокусировка излучения усиливает его в конкретной точке, позволяя исследовать с его помощью более слабые сигналы.

Результаты проделанной по проекту работы исследователи представили в статье «Фокусировка излучения Смита-Перселла от двумерного массива частиц в предволновой зоне», опубликованной в журнале Physical Review.