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 способ фокусировать терагерцевое излучение. Данный вид излучения применяется для исследования внутренней структуры объектов и протекающих в них процессов, в том числе, в промышленности, в области систем безопасности, в медицине и биологии. Например, возможность фокусировать излучение может быть чрезвычайно важной, 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.

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.

В международной научно-исследовательской лаборатории «Излучение заряженных частиц» НИЯУ МИФИ, теоретически исследуют свойства излучения Смита-Парселла от фотонных кристаллов — искусственных сред, похожих 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.

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

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.

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).

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.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review.