Сотрудники физического факультета МГУ, Научно-образовательной школы «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» исследовали физические факторы, влияющие на эффективность генерации широкополосного излучения терагерцового (ТГц) диапазона, и экспериментально получили однопериодные импульсы в данном диапазоне частот с величиной поля свыше 5х10⁶ В/см.

Терагерцовое (ТГц) излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Обычно его определяют в диапазоне 0,1–10 ТГц, что соответствует длинам волн от 3 до 0,03 мм. Низкочастотную часть спектра иногда определяют как субмиллиметровую область электромагнитного излучения, а его высокочастотную часть как дальнее инфракрасное излучение.

Определение механизмов генерации и управление пространственно-временными свойствами ТГц сигнала вызывают большой интерес для фундаментальной и прикладной нелинейной оптики, что позволяет использовать его для решения многих важных прикладных задач. Активно расширяющиеся области применения ТГц излучения требуют мощных и широкополосных, но компактных и надежных источников хорошо контролируемых сигналов поля ТГц диапазона.

Эксперименты проводились на уникальной суб-петаваттной титан-сапфировой лазерной системе, входящей в состав лазерно-синхротронного комплекса НИЦ «Курчатовский институт». Излучение на длине волны 800 нм с энергией до 300 мДж и длительностью 26 фс пропускалось через тонкий кристалл ниобата лития большой площади, который использовался для нелинейно-оптического преобразования лазерных импульсов в ТГц диапазон частот. Генерируемое излучение собиралось параболическими зеркалами, при этом исследовались как его энергия, так и спектр.

Сотрудники физического факультета МГУ и НИЦ «Курчатовский институт» нашли простые соотношения (энергии, длительности импульса и диаметра пучка), при которых энергия лазерных импульсов оптимальным образом масштабируется площадью нелинейного кристалла, и экспериментально получили однопериодные импульсы в ТГц диапазоне частот с рекордной величиной поля. Данное исследование позволяет использовать лазерные импульсы мультитераваттной мощности для получения электромагнитного излучения ТГц диапазона с выходной энергией на единицу площади кристалла порядка 10 мкДж/см².

Работа опубликована в высокорейтинговом журнале OpticsLetters и признана одной из лучших в его декабрьском выпуске. Статья была отмечена редактором выпуска как Editor's Pick (Выбор редактора). Данная отметка позволяет выделить статьи с превосходным научным качеством и отражает выдающиеся успехи авторов в конкретной области исследований.

«Полученные таким способом однопериодные импульсы ТГц диапазона открывают возможность экспериментального исследования воздействия на вещество сверхсильного квазистационарного электрического поля с амплитудой 5 МВ/см, длительность которого всего 0.1 пс, что не приводит к разрушению исследуемого материала», – рассказывает старший научный сотрудник физического факультета Дмитрий Сидоров-Бирюков.

Проведенные исследования позволят правильно выбирать размер нелинейно-оптических кристаллов для высоких энергий падающего лазерного излучения и получать все более мощные однопериодные ТГц импульсы, что в дальнейшем приведет к развитию нового направления науки – нелинейной оптики в ТГц диапазоне.