Терра герца. Коротким импульсам пророчат долгую жизнь.

— Нам совместно со швейцарскими коллегами из Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute, Швейцария) удалось создать рекордный по мощности сверхкороткий когерентный источник терагерцового излучения, и, соответственно, возникла идея проведения исследований по управлению частотными характеристиками такого источника и его применения для решения прикладных задач, в частности для создания сверхбыстрого модулятора света.

— Самое главное — это разработка новых возможностей формирования спектра терагерцового импульса и получение перестраиваемого терагерцового источника с высокой напряженностью электрического поля. Проект будет реализован до конца 2017 года. Будем исследовать и новые возможности применения высокоинтенсивного терагерцового излучения.

— Выполнение совместных исследований позволит объединить научный потенциал российской научной группы (ФЛЦ ОИВТ РАН), которая является ведущей в области тераваттных фемтосекундных “хром-форстерит” (рабочий кристалл самого лазера) лазерных систем, и швейцарской научной группы, которая выступает лидером в области генерации терагерцового излучения с высокой напряженностью электрического поля в органических кристаллах (PSI). 

— Для получения рекордного по мощности импульса терагерцового излучения должны быть выполнены два основных условия — наличие нелинейного кристалла определенного типа с диаметром не менее 20 мм и источника инфракрасных фемтосекундных лазерных импульсов тераваттного уровня мощности излучения. Нелинейный кристалл таких размеров был собран швейцарцами в виде мозаики из более мелких. Лаборатории разных стран владели инфракрасными фемтосекундными лазерными системами, но меньшей мощности. А вот такая тераваттная лазерная система, как упоминалось выше, имеется только в нашем центре.

Три года назад швейцарские коллеги узнали про нашу установку и обратились в институт с просьбой протестировать новые нелинейные органические кристаллы для генерации терагерцового излучения с использованием уникальной тераваттной фемтосекундной “хром-форстерит” лазерной системы. В результате выполненных исследований был получен рекордный по энергии импульс терагерцового излучения.

— Существуют различные типы нелинейных кристаллов, позволяющие преобразовывать фемтосекундные импульсы оптического диапазона спектра излучения в терагерцовые импульсы фемто- и пикосекундной длительности с эффективностью преобразования в доли процентов. Разработанные швейцарцами нелинейные кристаллы дают возможность достичь эффективности преобразования величиной в несколько процентов, но при накачке инфракрасными импульсами тераваттной мощности.

— Нет. Сейчас их растят в Швейцарии, Японии, Южной Корее.

— …и частично (с эффективностью более 3%) преобразуется в излучение терагерцовой области спектра.

— Наш лазер имеет излучение с длиной волны 1250 нанометров, — поясняет Андрей Владимирович. — Проходя через кристалл, оно преобразуется в излучение с длиной волны порядка 100-200 микрометров (в зависимости от преобразователя, типа кристалла). Сейчас мы используем нелинейный кристалл, который позволяет получить излучение в спектральном диапазоне от 0,5 до 2,5 терагерца.

Проект состоит из двух частей. Задача первой части — получить терагерцовое излучение не с широким спектром (0,5-2,5 терагерца), а с перестраиваемой в этой области узкой спектральной линией (300-500 гигагерц). Задача второй — использовать это излучение для управления свойствами электрооптического кристалла: управлять интенсивностью импульса лазерного излучения, проходящего через этот кристалл.

Вообще, мы достигаем двух целей: получаем опыт в работе с терагерцовым излучением и, второе, используем уникальные свойства нашей фемтосекундной “хром-форстерит” лазерной системы для проведения научных исследований.

— Не только. Бюджетное финансирование нашего проекта составляет  6 миллионов рублей. В соответствии с требованиями Соглашения с Минобрнауки России, должны быть привлечены и внебюджетные средства иностранного партнера — научного учреждения Paul Scherrer Institute, который поддерживает Швейцарский научный фонд, — около 240 тысяч швейцарских франков (примерно 13 миллионов рублей). Отметим, что швейцарский фонд финансирует работу только своих сотрудников.

— Должны быть получены импульсы терагерцового излучения с узкой спектральной линией и возможностью перестройки в широком частотном диапазоне от 0,5 до 7 терагерц. Будет продемонстрирована возможность управления оптическим модулятором с помощью интенсивных терагерцовых импульсов. 

— Со швейцарцами — посмотрим, а с лазером, с излучением, безусловно. Мы этой тематикой (терагерцами) до появления швейцарцев не занимались. А теперь, с получением интересных результатов, возникают и дополнительные прикладные задачи, которые мы могли бы решать с использованием нашей лазерной системы и вот таких кристаллов.

— К сожалению, — отвечает мне Андрей Овчинников. — И покупать задорого. В России подобных производств и возможностей их создать сегодня нет. А у науки нет достаточно денег. Это очень плохо. Можно было бы производить на базе того же Института кристаллографии, но это — штучное производство.

— Вообще, собственное производство приборов и материалов — нынче больной вопрос для отечественных ученых. Тот же кристалл хром-форстерита с заданными характеристиками и требуемого размера в России найти очень сложно, — добавляет он с грустью.

— Терагерцовые импульсы открывают новые возможности их практического применения в фотонике, биологии, медицине, материаловедении, могут применяться в интересах национальной безопасности, астрофизике, химии, в системах контроля качества на производствах, в мониторинге окружающей среды и экологии, археологии, палеонтологии и других областях народного хозяйства.

Мы начали работы в рамках нового направления — взаимодействия сверхкоротких импульсов мощного когерентного терагерцового излучения с веществом, а именно с ферроиками (тип ферромагнетика) и сегнетоэлектриками. Работы проводятся совместно с сотрудниками Radboud University Nijmegen (Нидерланды), Московского технологического университета, Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, Крымского федерального университета им. В.И.Вернадского (Симферополь). Разработана методика исследований динамики сверхбыстрого изменения электрической и магнитной поляризации среды с целью рекордно быстрого переключения электрической и магнитной поляризации сред для сверхбыстрой записи информации. Впервые в ферромагнетике FeBO3 наблюдался эффект генерации фемтосекундного импульса второй гармоники лазера оптического диапазона, инициируемый сверхкоротким терагерцовым импульсом. 

Это будущее сверхбыстрых переключателей и сверхбыстрой записи информации. Дело в том, что воздействие терагерцового импульса создает очень высокое поле — с напряженностью до 100 мегавольт на сантиметр, которое может быстро “переключать” свойства материала. 

В системах национальной безо­пасности терагерцовое излучение может быть использовано для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, терагерцовое излучение является неионизирующим и безвредно для живых организмов. У американцев подобные установки уже используются в аэропортах.

— В 2017 году мы предполагаем работать совместно с “Росатомом”: с помощью мощных терагерцовых импульсов измерять концентрацию опасных примесей в воздухе. Это необходимо при эксплуатации АЭС.

В биологии и медицине терагерцовое излучение может быть использовано для томографии поверхностных слоев биологических тканей, в диагностике и лечении злокачественных образований. К проведению таких исследований мы также готовимся. Еще с помощью терагерцового излучения можно получать снимки поверхностей и объектов, скрытых под штукатуркой или краской. Это предоставит возможность бесконтактным способом исследовать объекты археологии, предметы искусства и живописи или может быть использовано на тех же АЭС для определения скрытых дефектов. Терагерцовое излучение может найти применение в выходном контроле качества выпускаемой продукции, например, в фарминдустрии.

— Да! И это еще не все! Сегодня рассматривается возможность применения терагерцовых импульсов в разработке новых высокоскоростных систем связи и локации. Ведутся разработки в области терагерцового имиджинга, эллипсометрии, голографии. Создаваемый импульсный источник мощного терагерцового излучения открывает новое направление силового воздействия терагерцового излучения с металлами, полупроводниками, диэлектриками, с различными конструкционными материалами. Это очень интересное направление, которым мы будем вплотную заниматься. 

— К сожалению, недозагружены, особенно на годы вперед, — сетует Михаил Борисович, и с ним соглашается Андрей Владимирович. — Эти исследования требуют финансирования, которого явно недостаточно для нашего центра. Нужны средства не только для “карманов” сотрудников, но и на поддержание работы установок, покупку нелинейных кристаллов и т.п. Но люди, ведающие финансами, как-то неохотно знакомятся с нашими результатами и возможностями. Такой терагерцовый лазер у нас пока единственный в мире. Но прогресс не стоит на месте, и скоро они появятся и за рубежом. Да, пока только у нас можно получить рекордные по мощности излучения когерентные терагерцовые импульсы, но не растерять бы первенства при остаточном принципе субсидирования фундаментальных исследований.

— А мы не пессимисты, мы работаем. У нас есть достижения, например, полученные в биомедицинском комплексе. 

Создана установка “Фемтосекундный лазерный пинцет-скальпель”, позволяющая очень тонко (благодаря острой фокусировке) и бесконтактно работать с биологическими объектами на клеточном уровне. Установка оснащена компьютерным программным комплексом, который дает возможность, управляя установкой, выполнять автоматизированные микрохирургические процедуры. За создание программного комплекса для этой установки и исследования, проведенные на ней, наши молодые кандидаты наук Дмитрий Ситников и Инна Ильина получили премию Правительства Москвы для молодых ученых. Мы проводим много исследований в сфере биологии и медицины на этой установке и также сотрудничаем с коллегами из других стран. В 2013-2014 годах мы вели у нас здесь эксперименты с Центром биофотоники при Гарвардском университете (США). Сейчас у нас грант РФФИ, совместный с Германией, и немцы с удовольствием приезжают проводить совместные исследования на нашем оборудовании. 

Приходите к нам почаще, и мы вам все покажем и расскажем.