ИСТИНА

Проект посвящён изучению взаимодействия монохроматического терагерцевого (ТГц) излучения с ультразвуком в неполярных жидкостях и их парах с целью разработки методов управления пучками лазерного ТГц излучения путём оперативного изменения параметров среды. Акустооптическое (АО) взаимодействие широко применяется для управления параметрами (направление распространения, интенсивность, поляризация, частота, фаза) электромагнитного излучения видимого и среднего инфракрасного (ИК) диапазонов. Благодаря простоте управления, компактности, малой потребляемой мощности и высокому быстродействию АО устройства используются в оптической спектроскопии и связи, системах обработки изображений, лазерной технике для модуляции, фильтрации и управляемого отклонения световых пучков. К настоящему времени разработаны АО устройства, эффективно работающие на длинах волн не более 20 мкм. Использование подобных устройств в ТГц диапазоне до сих пор не практикуется, так как эффективность АО взаимодействия обратно пропорциональна квадрату длины волны излучения. Поскольку в настоящее время идёт интенсивное освоение ТГц диапазона (разработано большое число методов генерации монохроматического и широкополосного ТГц излучения, единичных и матричных приёмников, методов ТГц-видения и спектроскопии, информационно-аналитических методов и коммуникационных систем), то актуализируется проблема оперативного управления параметрами ТГц излучения. На сегодняшний день большинство АО приборов создаётся на основе кристаллов парателлурита. Однако практически все используемые в АО монокристаллические среды, а также жидкости, характеризуются в ТГц диапазоне большим коэффициентом поглощения излучения. Наиболее прозрачными в ТГц диапазоне средами являются полупроводники (например, арсенид галлия, германий и высокоомный кремний). Однако эти материалы характеризуются низкими значениями коэффициента АО качества, вследствие большой скорости звука в них и малой величины эффективной фотоупругой постоянной. Более высоким коэффициентом АО качества обладают жидкости. Максимальную прозрачность на ТГц частотах имеют неполярные жидкости, характеризующиеся малым электрическим дипольным моментом. К таким веществам относятся предельные углеводороды и их производные, а также - элементы восьмой группы р-блока таблицы Менделеева. Таким образом, изучение АО взаимодействия в ТГц диапазоне с целью разработки эффективных методов управления параметрами излучения и электронно-управляемых устройств является актуальным и потенциально реализуемым направлением исследований. Исследования будут выполнены, используя монохроматическое излучение лазера на свободных электронах, перестраиваемого по длине волны в областях 30-60 мкм и 90-240 мкм, Центра коллективного пользования синхротронным и терагерцевым излучением при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск). Использование в контрольных экспериментах квантового каскадного ТГц лазера позволит изучить АО взаимодействие в лабораторных условиях. Научная новизна исследований состоит в определении оптимальных условий АО взаимодействия в ТГц диапазоне, при которых достигается простота реализации искомого эффекта и минимальное энергопотребление при заданной эффективности взаимодействия, а также – в разработке методов и устройств для электронного управления пространственно-частотными характеристиками пучков ТГц излучения.

The project is devoted to the study of the interaction of monochromatic terahertz (THz) radiation with ultrasound in nonpolar liquids and their vapors in order to develop methods for controlling laser THz beams by means of operative changes in the parameters of the medium. Acousto-optical (AO) interaction is widely used to control the parameters (direction of propagation, intensity, polarization, frequency, phase) of electromagnetic radiation of visible and middle infrared (IR) ranges. Due to the simplicity of control, compactness, low power consumption and high operation speed, AO devices are used in optical spectroscopy and communication, image processing systems, laser technology for modulation, filtering and controlled deflection of light beams. To date, AO devices have been developed that operate efficiently at wavelengths of no more than 20 microns. The use of such devices in the THz range is still not practiced, since the efficiency of the AO interaction is inversely proportional to the square of the wavelength of the electromagnetic radiation. As at the present time there is an intensive mastering of the THz range (a large number of methods for generating monochromatic and broadband THz radiation, single and matrix receivers, THz-vision and spectroscopy, information and analytical methods and communication systems have been developed), the problem of operational control of the THz parameters is urgently actual. At present, most AO devices are based on paratellurite crystals. However, practically all monocrystalline media used in AO interaction, as well as liquids, are characterized by a large absorption coefficient of THz radiation. The most transparent media in the THz range are semiconductors (for example, gallium arsenide, germanium and high-resistance silicon). However, these materials are characterized by low values of the AO figure of merit, due to high speed of sound in them and small value of the effective photoelastic constant. Fluids have higher figure of merit. Nonpolar liquids have maximum transparency at THz frequencies as they are characterized by a small electric dipole moment. Such substances include the ultimate hydrocarbons and their derivatives, as well as elements of the eighth group of the p-block of the Mendeleev's periodic table. Thus, the study of AO interactions in the THz range in order to develop effective methods for controlling the parameters of radiation and electronically controlled devices is an actual and potentially realizable direction of research. The studies will be carried out using monochromatic radiation from a free-electron laser tunable along the wavelengths in the 30-60 and 90-240 microns regions, functioning at the Center for Collective Use of Synchrotron and Terahertz Radiation at the Institute of Nuclear Physics named after G.I. Budker of the SB RAS (Novosibirsk). The use of a quantum cascade THz laser in the test experiments will make it possible to study AO interaction in laboratory conditions. The scientific novelty of the research consists in determining the optimal conditions for the AO interaction in the THz range, at which the simplicity of the desired effect and the minimum energy consumption for a given interaction efficiency are achieved, and also in the development of methods and devices for electronic control of the spatial-frequency characteristics of THz radiation beams.

В результате выполнения проекта будет: 1) Впервые в мире исследована дифракция монохроматического ТГц излучения на ультразвуке в неполярных жидкостях при обратной коллинеарной геометрии взаимодействия, что позволит создать узкополосные фильтры ТГц излучения. Такие фильтры могут быть использованы для выделения гармонических компонент из широкополосного пикосекундного ТГц излучения. Для выполнения этих исследований будет разработана и создана специализированная ячейка, позволяющая наблюдать коллинеарное АО взаимодействие. 2) Впервые в мире изучено взаимодействие монохроматического ТГц излучения со стоячей ультразвуковой волной в неполярных жидкостях, содержащих взвешенные в них углеродные нанотрубки. Локализация трубок в узлах стоячей волны обусловит селективное по поляризации поглощение излучения. Этот эффект может быть применён для оперативного контроля поляризации и интенсивности ТГц излучения. Для выполнения этих исследований будет разработана и создана специализированная ячейка, позволяющая формировать стоячую ультразвуковую волну. 3) Исследована квазиортогональная АО дифракция ТГц излучения в инертных газах и жидкостях элементов восьмой группы р-блока таблицы Менделеева при высоких давлениях (десятки атмосфер) и температурах, близких к комнатной. Результаты исследований позволят впервые определить оптимальное значение давления, при котором достигается максимальная эффективность АО взаимодействия. Для этих исследований будет разработана и создана АО ячейка высокого давления, содержащая излучатель ультразвука, входное и выходное окна для ТГц излучения, порты для напуска и откачки газа, электрические вводы для пьезопреобразователя и термопару. 4) Исследована квазиортогональная АО дифракция ТГц излучения в жидкой фазе инертных газов, достигаемой повышением давления или понижением температуры. Результаты исследований позволят впервые определить оптимальное значения температуры, при котором достигается максимальная эффективность АО взаимодействия. Для этих исследований будет разработана и создана АО ячейка высокого давления, снабжённая теплоизолирующей рубашкой и термоэлектрическим модулем Пельтье для понижения температуры среды в ячейке. Такая ячейка позволит исследовать зависимость эффективности АО взаимодействия от вариаций температуры. 5) Определены наиболее легко реализуемые условия эффективной АО дифракции ТГц излучения в неполярных веществах, находящихся в жидкой и газовой фазах. Это позволит уменьшить трудоёмкость изготовления специализированных АО ячеек, а также – повысить безопасность работы с ними. 6) Исследована возможность пространственного сканирования монохроматического ТГц излучения путём изменения частоты ультразвука. Результаты могут быть использованы для создания электронно-управляемых дефлекторов ТГц излучения, а также – в системах ТГц-видения.