En ny källa till intensiv terahertz (THz) strålning, som kan erbjuda ett mindre skadligt alternativ till röntgenstrålar och har stor potential för användning inom industrin, utvecklas av forskare vid University of Strathclyde och Capital Normal University i Peking.
Till skillnad från synligt ljus, THz -strålning tränger igenom material som plast, kartong, trä och kompositmaterial, vilket gör den till en utmärkt ersättning för skadliga röntgenstrålar som används vid bildbehandling, och säkerhet.
Även om det är välkänt att THz elektromagnetiska vågor kan bära kommunikation med ultrahög bandbredd, långt överstiger Wi-Fi, det är mindre välkänt att det är en mycket användbar sond för att detektera molekyler och analysera halvledare.
Ett forskargrupp ledd av professor Dino Jaroszynski, vid Strathclydes institution för fysik, har experimentellt visat att oöverträffade högladdade grupper av relativistiska elektroner kan produceras av en laserwakefieldaccelerator (LWFA). Dessa produceras förutom den vanliga högenergin, lågladdningsstrålar som avges.
Teamet visade att när en intensiv ultrakort laserpuls koncentreras till heliumgas, en plasmabubbla som rör sig med nästan ljusets hastighet bildas. Dessa högladdningsstrålar av elektroner skiljer sig från den vanliga lågladdningen (picocoloumb), hög energi (100s MeV till GeV), femtosekundslängd elektronbuntar som vanligtvis observeras från LWFA.
Forskningen har publicerats i New Journal of Physics .
Professor Jaroszynski, Direktör för Scottish Center for the Application Plasma-based Accelerators (SCAPA), som startade projektet, sade:"Detta är en oöverträffad effektivitet för dessa THz -energier. Den ökande tillgången till intensiva THz -källor kommer att leda till helt nya vägar inom vetenskap och teknik.
"Nya verktyg för forskare leder till nya framsteg. Interaktionen mellan intensiv THz -strålning och materia ger tillgång till olinjära processer, som möjliggör identifiering av normalt dolda fenomen, och även unik kontroll av materia, såsom att rikta in molekyler med höga THz -fält eller förvrängande bandstruktur i halvledare.
"SCAPA ger en idealisk miljö för att undersöka dessa fenomen, vilket borde leda till nya framsteg inom vetenskapen. Våra teoretiska studier är de första stegen i denna spännande nya riktning. "
Dr Enrico Brunetti, vid Strathclydes institution för fysik, utförde de flesta simuleringarna i forskningen. Han sa:"Eftersom laddningen av vidvinkelstrålar ökar linjärt med laserintensitet och plasmadensitet, energin av THz-strålning kommer att skala till milijoule-nivåer, vilket skulle göra en intensiv källa till THz -strålning med toppeffekter som överstiger GW, som är jämförbar med den för en långt infraröd fri-elektronlaser. En optisk till terahertz konverteringseffektivitet i storleksordningen 1% kan nås. "
Dr Xue Yang, en forskare i projektet från Capital Normal University, sade:"När elektroner korsar ett gränssnitt mellan två media med olika dielektrisk konstant, övergångsstrålning avges över ett brett frekvensområde.
"Simuleringar visar att vidvinkelelektronstrålar som sänds ut av laser-wakefield-acceleratorer kan producera koherent terahertz-strålning med 10s µJ till 100s µJ energi när de passerar genom en tunn metallfolie eller vid plasma-vakuumgränsen för acceleratorn."
THz-strålning är långt infraröd elektromagnetisk strålning som har en frekvens mellan 0,1 THz och 10 THz (1 THz =10^12 Hz), som passar mellan mitten av infrarött och mikrovågsspektra. De stora molekylernas vibrations- och rotationsspektrala fingeravtryck sammanfaller med THz -bandet, vilket gör THz -spektroskopi till ett kraftfullt verktyg för att identifiera farliga ämnen, som droger och sprängämnen. Dessutom, THz -strålning är viktig för biologi och medicin eftersom många biologiska makromolekyler, såsom DNA och proteiner, har sin kollektiva rörelse vid THz -frekvenser.
THz -strålning kan också användas för att avslöja krångligheterna hos halvledare och nanostrukturer, och är därför viktiga verktyg för att utveckla nya elektromekaniska enheter och solceller.
Det finns många olika metoder för att generera THz -strålning, inklusive att driva fotoströmmar i halvledarantenner, excitation av kvantbrunnar och optisk rektifiering i elektrooptiska kristaller. Dock, deras maximala effekt är begränsad på grund av skador på de optiska materialen vid hög effekt. Plasma, i kontrast, har ingen sådan begränsning, eftersom det redan är trasigt
Den nya forskningen visar att dessa högladdade-nanocoloumb-, och relativt låg energi (MeV), sub-picosekund-varaktighet elektronbuntar avges i en ihålig kon med en öppningsvinkel på nästan 45 grader mot laserstrålens axel. Forskarna visar att laserenergi effektivt kan överföras till en mycket intensiv puls av THz -strålning.
