В НИЯУ МИФИ придумали новый метод фокусировки терагерцевого излучения

В международной научно-исследовательской лаборатории «Излучение заряженных частиц» Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ разработали новый тип дифракционных решеток, который позволит фокусировать терагерцевое излучение. Данное излучение применяется для исследования внутренней структуры объектов и протекающих в них процессов, в том числе, в промышленности, в области систем безопасности, в медицине и биологии. Исследования выполнены в рамках программы «Приоритет-2030», подпроект «Терагерцовая фотоника на основе метаматериалов и наноплазмоники» в рамках проекта ИНТЭЛ «Радиофотоника и квантовая сенсорика».

Схема эксперимента Смита и Парселла

Когда электроны движутся на небольшом расстоянии от периодической решетки со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, возбуждается излучение Смита-Парселла. Это излучение названо в честь двух ученых, которые в 1953 году впервые наблюдали интересное явление: когда электроны двигались над металлической решеткой, над ее поверхностью появлялась резкая светящаяся цветная линия. Цвет этого луча света, то есть частота излучения, менялся в зависимости от угла наблюдения и скорости электронов. Кроме того, ученые отметили, что свойства этого излучения зависят еще и от периода решетки – в своем эксперименте они меняли период поворачивая решетку. Примечательно, что задолго до эксперимента Смита и Парселла – в 1942 году – этот тип излучения был предсказан теоретически советским ученым И.М. Франком. С тех пор излучение Смита-Парселла активно исследуется учеными во всем мире, и как источник излучения, и как способ диагностики очень быстрых электронных пучков на коллайдерах и ускорителях. В последнее время особенно активно проводят исследования этого типа излучения для того, чтобы построить на его основе управляемый источник излучения, т.е. такой источник, параметры которого можно менять прямо в процессе его работы.

Сотрудники международной научно-исследовательской лаборатории «Излучение заряженных частиц», ИНТЭЛ, НИЯУ МИФИ, теоретически исследуют свойства излучения Смита-Парселла от фотонных кристаллов.

Фотонные кристаллы – это искусственные среды, похожие на обычные кристаллы, в узлах которых вместо атомов находятся относительно большие объекты – наночастицы, микрочастицы, отверстия, резонаторы различных форм.

Для генерации излучения Смита-Парселла особенно интересны двумерные фотонные кристаллы – массивы частиц, расположенные в одной плоскости, образующие прямоугольную решетку, т.е. два периода в двух перпендикулярных направлениях. Из-за отсутствия толщины вещества в таких фотонных кристаллах излучение практически не поглощается, а значит, интенсивность такого источника будет оставаться высокой. С другой стороны, две периодичности дают больше возможностей для управления светом, а именно его частотой и направлением распространения.

Дамир Гараев, аспирант ИНТЭЛ, НИЯУ МИФИ

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

Физики выделяют три области пространства, в которых измеряют электромагнитное излучение: ближнюю и дальнюю зоны, и зону предволновую, которая находится между ними. Как следует из названия, эти зоны различаются расстоянием от точки, где излучение возникло, до детектора. При этом характеристики излучения – спектры частот и направления распространения (другими словами, спектральные и угловые распределения) – в этих зонах тоже различаются.

Обычно излучение от электронов измеряют далеко от источника, т.е. в дальней зоне. Поле излучения в этой зоне уже «сформировалось» и отделилось от поля электрона, которое быстро убывает с расстоянием. Поэтому в дальней зоне спектры частот излучения Смита-Парселла имеют выраженные и довольно узкие максимумы, а вся интенсивность сосредоточена вблизи отдельных направлений, что очень удобно для последующего использования этого излучения. Однако, если скорость электрона велика, то дальняя зона находится очень далеко от решетки – до нескольких метров. На практике, располагать детектор на таких расстояниях оказывается неудобно. Решение – регистрировать излучение близко к мишени, т.е. в ближней или предволновой зонах. Но поле излучения здесь еще не успело «сформироваться» и отделиться от поля электрона, поэтому и спектры больше похожи на шум: в них нет выраженных максимумов, распределения довольно широкие, а также нет выделенных направлений распространения в пространстве – излучение идет практически во все стороны с одинаковой интенсивностью.

Изогнутая решетка фокусирует излучение Смита-Парселла в предволновой зоне

Дамир Гараев построил теорию излучения Смита-Парселла от двумерных фотонных кристаллов, которая описывает свойства излучения на любых расстояниях от решетки до детектора. Также, он рассчитал, как именно нужно расположить частицы фотонного кристалла на плоскости, чтобы детектор можно было ставить близко к решетке, а излучение при этом имело такие спектр и угловое распределение, как если бы детектор стоял далеко. Оказалось, что для этого частицы должны быть в узлах не прямоугольной решетки, а расположены периодически на изогнутых линиях. Математически, форма изогнутости – это парабола и гипербола. Излучение от таких решеток фокусируется, а это и приводит к подавлению эффекта ближней зоны (исчезновению шумных спектров и расплывания излучения в пространстве). «Было неожиданно, когда поначалу мы получили гиперболический закон, который описывает положения отдельных частиц решетки. Ведь в оптике для подавления аналогичного эффекта ближней зоны обычно используются параболические зеркала, а между физикой излучения и оптикой существуют очень близкие параллели. Но при дальнейшем анализе мы обнаружили, что параболический закон тоже получается, но только в ультрарелятивистском случае, т.е. для электронов движущихся с околосветовой скоростью! И это логично: именно в этом случае за счет лоренцевского сжатия кулоновское поле сверхбыстрых электронов становится близким по свойствам полю плоской волны. И поэтому именно в этом случае и достигается самая тесная аналогия с оптикой» – отметил Дамир Гараев.

Также, сотрудники лаборатории теоретически показали, что такие мишени дают довольно стабильные спектры и угловые распределения. При этом небольшие (сравнимые с радиусом частиц) случайные смещения частиц от расчетных координат, которые могут произойти при изготовлении мишеней, практически не играют роли: фокусировка из-за них почти не меняется. Полученные результаты позволят создать эффективный источник излучения, включая источники ТГц диапазона, а также позволят управлять светом в режиме реального времени – его частотой и направлением распространения. Возможность фокусировать излучение может быть чрезвычайно важной, например, когда с помощью терагерцового излучения диагностируют состояние кожи или изменение состава крови. С одной стороны, такое излучение стараются как можно лучше фокусировать, чтобы уменьшить вред тканям или увидеть структуру образца в небольшой области пространства. С другой стороны, фокусировка излучения приводит к его усилению в конкретной точке, что позволяет исследовать с помощью этого излучения более слабые сигналы.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review