Rekordstor terahertz laserstråle

Terahertz-stråling bruges til sikkerhedstjek i lufthavne, til lægeundersøgelser og også til kvalitetstjek i industrien. Imidlertid, stråling i terahertz-området er ekstremt vanskelig at generere. Forskere ved TU Wien i tæt samarbejde med kolleger fra Institute of Electronic Structure and Laser (IESL), Foundation for Research and Technology - Hellas (FORTH) i Heraklion og Texas A&M University i Qatar er nu lykkedes med at udvikle en terahertz-strålingskilde, der slår adskillige rekorder:den er ekstremt effektiv, og dets spektrum er meget bredt - det genererer forskellige bølgelængder fra hele terahertz-området. Forskningen var inspireret af teorien udviklet i Texas A&M University, forudsige, at med langbølgelængde laserimpulser kunne en ekstremt effektiv THz-generering opnås i luftplasma. Dette åbner mulighed for at skabe korte strålingsimpulser med ekstrem høj strålingsintensitet. Den nye terahertz-teknologi er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Terahertz-gabet" mellem lasere og antenner

"Terahertz-stråling har meget nyttige egenskaber, " siger Claudia Gollner fra Institute of Photonics ved TU Wien. "Det kan nemt trænge igennem mange materialer, men i modsætning til røntgenstråler, det er harmløst, fordi det ikke er ioniserende stråling."

Fra et teknisk synspunkt, imidlertid, terahertz-stråling er placeret i et frekvensområde, som er meget svært at få adgang til - på en måde som et ingenmandsland mellem to velkendte områder:Stråling med højere frekvenser kan genereres af almindelige solid-state lasere. lavfrekvent stråling, på den anden side, som det bruges i mobilkommunikation, udsendes af antenner. De største udfordringer ligger lige midt imellem, i terahertz-området.

I TU Wiens laserlaboratorier, der skal derfor lægges en stor indsats i at generere de ønskede højintensive terahertz-strålingsimpulser. "Vores udgangspunkt er strålingen fra et infrarødt lasersystem. Det er udviklet på vores institut, og det er unikt i verden, " siger Claudia Gollner. Først, laserlyset sendes gennem et såkaldt ikke-lineært medium. I dette materiale, den infrarøde stråling modificeres, en del af det omdannes til stråling med det dobbelte af frekvensen.

"Så nu har vi to forskellige typer af infrarød stråling. Disse to slags stråling bliver så overlejret. Dette skaber en bølge med et elektrisk felt med en meget specifik asymmetrisk form, " siger Gollner.

Forvandling af luft til plasma

Denne elektromagnetiske bølge er intens nok til at rive elektroner ud af molekylerne i luften. Luften bliver til et glødende plasma. Derefter, den specielle form af bølgens elektriske felt accelererer elektronerne på en sådan måde, at de producerer den ønskede terahertz-stråling.

"Vores metode er ekstremt effektiv:2,3 % af den tilførte energi omdannes til terahertz-stråling - det er størrelsesordener mere, end der kan opnås med andre metoder. Dette resulterer i usædvanligt høje THz-energier på næsten 200 µJ, " siger Claudia Gollner. En anden vigtig fordel ved den nye metode er, at der genereres et meget bredt spektrum af terahertz-stråling. Meget forskellige bølgelængder i hele terahertz-området udsendes samtidigt. Dette producerer ekstremt intense korte strålingsimpulser. Jo større spektrum af forskellige terahertz. bølgelængder, de kortere og mere intense impulser kan genereres.

Talrige mulige applikationer

"Det betyder, at for første gang er en terahertz-kilde til ekstrem højintensitetsstråling nu tilgængelig, " siger Andrius Baltuska, lederen af ​​forskningsgruppen ved Wiens teknologiske universitet. "Indledende forsøg med zink-tellurid-krystaller viser allerede, at terahertz-stråling er fremragende egnet til at besvare vigtige spørgsmål fra materialevidenskaben på en helt ny måde. Vi er overbeviste om, at denne metode har en stor fremtid."