Undersøgelse for THz-stråling direkte ved kilden

Søgen efter og udvikling af effektive terahertz (THz) kilder er et af de vigtigste videnskabelige mål i det 21. århundrede. THz-regionen af ​​det elektromagnetiske spektrum er sammensat af lysfrekvenser mellem det infrarøde og mikrobølgebåndet og tegner sig for et af de sidste næppe udforskede områder af lys - der er ikke mange stærke og effektive kilder og detektorer tilgængelige for THz-frekvensområdet i øjeblikket .

Nylige bestræbelser på at producere THz-kilder involverer brugen af ​​laserfaciliteter i stor skala, der anvender ultrakorte pulserende lasere, der er i stand til at levere omtrent den mængde strøm, der forbruges af en billion af 1 W-pærer inden for en quadrilliontedel af et sekund. Intensiteten i fokus for disse lasere er stærk nok til at rive elektroner ud af materialer (stof bliver til plasma), hvilket fører til generering af lys gennem hele det elektromagnetiske spektrum.

For at producere stærkere THz-frekvenser med denne metode giver den nuværende laserteknologi desværre kun mulighed for at afgive nogle få "skud" i løbet af flere minutter eller timer. Dette betyder, at for at måle og karakterisere THz-kilderne korrekt, skal der udvikles en detektionsmetode, der er i stand til fuldt ud at karakterisere den stråling, der produceres inden for et enkelt skud.

Forskere ledet af prof. X.-C. Zhang ved The Institute of Optics, University of Rochester i New York, USA, har udvidet en metode til at detektere THz elektriske felt ved at konvertere det til synligt lys kendt som "THz field-induced second harmonic" (TFISH) generation. Denne metode bruger ikke-lineær optik (studiet af interaktionen mellem stof og meget intenst lys) til at fordoble frekvensen af ​​en optisk stråle i nærvær af en THz-bølge.

Mens denne målemetode er blevet brugt i næsten to årtier, udtænkte forskerne en ny strategi til at måle strålingen direkte ved plasmakilden, efterhånden som den produceres. Værket, med titlen "Local measurement of terahertz field-induced second harmonic generation in plasma filaments," blev offentliggjort den 13. december 2023 i Frontiers of Optoelectronics .

Fordi THz-bølgen er begrænset til plasmaet, når den initieres, er den ikke-lineære konvertering fra THz til synligt lys ekstremt effektiv og kan endda detekteres med et blottet øje. I deres system producerer forskerne plasma i tør luft med en intens stråle og bruger en anden svag laserstråle af optisk stråling til at sondere plasmaet i en ikke-kollineær vinkel. Ved at tidsindstille ankomsten af ​​sonderingsstrålen til skabelsen af ​​plasmaet, kan forskerne karakterisere plasmaets dynamik, hvilket giver en komplet målesuite for THz-kilden.

Ved at bruge et gitter til at ændre timingen på tværs af sonderingsstrålen fremviste forskerne desuden den første måling af et TFISH-signal lavet inden for et enkelt laserskud. Denne metode giver den største båndbredde til THz-single-shot-detektion til dato.

Flere oplysninger: Kareem J. Garriga Francis et al., Lokal måling af terahertz felt-induceret anden harmonisk generation i plasma filamenter, Grænser for optoelektronik (2023). DOI:10.1007/s12200-023-00095-y

Leveret af Frontiers Journals