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 терагерцовое излучение.
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, то есть 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 (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, то есть 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.
Обычно излучение от электронов измеряют далеко от источника, то есть 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, то есть 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).
«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, то есть 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.
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.
Исследования выполнены в рамках программы «Приоритет-2030», подпроект «Терагерцовая фотоника на основе метаматериалов и наноплазмоники» в рамках проекта ИНТЭЛ «Радиофотоника и квантовая сенсорика».
