Engang troede det umuligt, forskere demonstrerer, at flydende vand kan generere THz-bølger

(Phys.org)—Ved at belyse en tynd film af vand med ultrakorte laserimpulser, fysikere har vist, at flydende vand kan generere terahertz (THz) bølger, som i øjeblikket undersøges for applikationer som trådløs datatransmission, industriel kvalitetskontrol, og høj opløsning billeddannelse med mulighed for penetration.

Forskerne, ledet af Xi-Cheng Zhang, M. Parker Givens professor ved University of Rochester's Institute of Optics i New York, samt på Capital Normal University i Beijing og ITMO University i Sankt Petersborg, Rusland, har udgivet et papir om generering af THz-bølger fra vand i et nyligt nummer af Anvendt fysik bogstaver .

Resultatet er overraskende, fordi bulkvand er en stærk absorber af lys i THz-frekvensområdet, og så i lang tid virkede det meget usandsynligt, at flydende vand kunne tjene som kilde til THz-stråling. Forskere har tidligere vist, imidlertid, at vand kan udsende lys ved andre frekvenser, inklusive hvidt lys, og at vanddamp kan udsende THz-bølger. Nøglen til at få flydende vand til at generere THz-bølger, som forskerne viser i den nye undersøgelse, er at bruge en meget tynd (mindre end 200 μm tyk) fritflydende film af vand.

"Selvom det måske er for tidligt at forudsige nogen industrielle eller kommercielle anvendelser for vores arbejde i øjeblikket, Jeg tror, ​​det giver den sidste brik i puslespillet, " fortalte Zhang Phys.org . "Solid, gas, og plasma er allerede blevet brugt til at generere THz-bølger, men ikke flydende. Med væske, især vand, fire stoftilstande er nu blevet brugt som THz-kilder."

I deres eksperimenter, forskerne fokuserede femtosekund laserimpulser (som har en varighed af størrelsesordenen et picosekund, eller 10 ^-12 sekunder) inde i vandfilmen. Laserimpulserne danner et plasma i vandfilmen, som ioniserer vandmolekylerne, generere frie elektroner, og til sidst udsender THz-stråling.

Tidligere forskning har vist, at THz-bølger kan genereres fra flere andre kilder, inklusive luftplasma. Imidlertid, forskerne i den nye undersøgelse fandt, at THz-strålingen fra vand udviser meget forskellige egenskaber sammenlignet med THz-strålingen fra luftplasma. For eksempel, en længere laserpulsvarighed øger mængden af ​​THz-strålingsenergi, der genereres fra vand, men for luftplasma er det modsatte tilfældet:en kortere puls øger THz-strålingen. Forskerne fandt også ud af, at når den er placeret væk fra den normale indfaldsvinkel for optisk excitation, styrken af ​​THz-strålingen fra vand afhænger af polariseringen af ​​laserstrålen, hvorimod THz-strålingen fra luftplasmaet er polarisationsuafhængig.

Forskerne forklarer, at disse observationer ikke fuldt ud kan forklares af fysikeres nuværende forståelse af de mekanismer, der er involveret i THz-bølgegenerering. De forventer, at yderligere undersøgelse af laser-vand-interaktioner vil føre til en bedre forståelse af fysikken bag de nye observationer, og eventuelt til nye applikationer.

"Vand er det vigtigste element i den menneskelige krop og på vores jord, " sagde Zhang. "At bruge vand til at generere THz-bølger er et skridt i retning af at forstå vands rolle i dette frekvensområde. Tidligere, vi forsøgte at undgå vand i de fleste THz-applikationer. Nu vil vi sandsynligvis bruge vand til at generere intense THz-bølger."

© 2017 Phys.org