ITMO：科学家实现了液体中太赫兹辐射的创纪录效率

ITMO大学的物理学家已经改进了使用液体将光辐射转换为太赫兹辐射的方法，直到最近，人们还认为这是没有希望的。但是，在这种介质中实现的转换效率却是破纪录的0.1%。太赫兹辐射与X辐射不同，这是无害的事实，可用于医学，安全系统，生态监测，艺术品分析以及食品工业。关于该主题的研究论文发表在《通信物理学》杂志上。这项研究是由俄罗斯科学基金会(RSF)资助的。

太赫兹(THz)辐射是一种电磁辐射，其频谱在红外和微波范围之间。它对应于3毫米至30微米(或0.1至100 THz)的光波长。重分子(包括有机分子)的典型振荡和晶体原子的运动都在此范围内。

此外，与X射线不同，太赫兹射线对人体无害，这使我们能够使用它来解决许多重要的应用任务。科学家早先证明，它可用于疾病(例如癌症，糖尿病等)的诊断，预防和治疗，以及用于公共场所的安全系统，生态监测，艺术品的安全分析，并在食品行业进行质量和产品评估。

但是，基于太赫兹辐射的设备仍未得到广泛使用。问题在于，信号的强度在大气中以及通过某些障碍物时会明显降低，尤其是当它们包含水分时。特别是，一旦太赫兹信号通过了毫米盐溶液(其特性类似于有机组织)，其强度就会降低5亿倍。这就是为什么我们需要创建功能强大且紧凑的光源以及灵敏的THz辐射接收器，以便用THz扫描仪替代X射线。

ITMO大学的科学家们能够使用最好的一种激发源(激光)来提高太赫兹辐射的产生效率。在中，该团队改进了液体中的纤维化过程-一种广泛用于解决此类任务的方法，该方法基于光学到太赫兹的转换。

光辐射–光–与介质高度相互作用(约1013-1014 W / cm2)时会产生太赫兹场。在灯丝化过程中，高强度的激光辐射会引起介质的级联电离，其中电子与原子分离。电子进入高激发态，并沿着灯丝的整个长度形成等离子体通道。

灯丝是在辐射介质相互作用后留下的发光线。在此通道内，形成了各种类型的辐射：光学，红外，X射线和太赫兹。这次，科学家将激光束聚焦在液体介质中，而不是像通常那样将其聚焦在气态介质中。

众所周知，液体可以很好地吸收太赫兹辐射，因此一直没有将其视为来源。但是，ITMO大学的研究小组发现，在液体介质中产生的THz辐射比在气体介质中产生的THz辐射的效率更高。这可以通过以下事实来解释：在气体中，分子的密度较小，电离能较大。因此，在气体介质中，激发电子的势能数较小。

在双脉冲激励的帮助下，科学家们能够达到光-太赫兹转换效率的新最大值(0.1%)。这种方法的思想在于将两个激发脉冲发射到介质中。第一个在将来自第一个脉冲的等离子体与等离子体相互作用期间，将介质预电离，第二个则增强了THz场的强度。

由数值模拟支持的实验结果表明，较长的预脉冲对于诱导有效的电离过程是优选的，而较短的信号则对于较强的激光-等离子体相互作用更好。

进行的工作使研究人员能够确定各种液体的两脉冲激发中有趣的物理规律。科学家证明，在不同液体中的太赫兹脉冲在被第一个脉冲激发后，会在几皮秒内放大(10秒到-12的幂)。这种现象与等离子体的寿命有关。该假设得到实验测量的支持。

“我想指出，将来可以通过更改激光波长的工作范围来提高接收结果的0.1%。如果我们在激光激发过程中将中心波长移到平均红外范围(最大3微米)，效率将达到甚至更令人印象深刻的值-大约1-5%。通过这种方式，我们找到了在液体中高效产生太赫兹波的最佳条件。我们的项目是向未来迈出的一大步，它将广泛使用功能强大且节省资源的太赫兹辐射源，” ITMO大学飞秒光学与飞秒技术国际实验室负责人DSc的Anton Tsypkin说道。