ФАКУЛЬТЕТ ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ
НовостиУниверситет ИТМО
2019-06-06
Ученые Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО работают над получением альтернативного источника терагерцового излучения на основе жидкостей
  Полярные жидкости и, в частности, вода, являются сильными поглотителями электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне. Поэтому долгое время они не рассматривалась в качестве хороших кандидатов в терагерцовые источники. Однако в прошлом году ученые Университета ИТМО в сотрудничестве с исследователями из Университета Рочестера описали физическую природу этого явления и показали, что жидкостные источники излучения могут быть не менее эффективны, чем традиционные. В новой работе сотрудники лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО исследовали генерацию терагерцового излучения в струях различных жидкостей. В перспективе эти результаты могут быть применены для создания нового альтернативного источника терагерцового излучения. Исследование опубликовано в журнале Optics Express.
 
  Терагерцовые технологии: спектроскопия, безопасность, биомедицина и неразрушающая диагностика.
 Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным диапазоном и радиодиапазоном. Оно хорошо проходит через множество материалов. Например, дерево, пластик, керамика для него являются прозрачными.
  Эти особенности открывают широкий спектр для практического применения терагерцовых источников. Например, ТГц излучение может использоваться в системах безопасности для сканирования багажа — с его помощью можно обнаружить спрятанные под одеждой металлические, пластиковые и другие предметы.
  Кроме того, в отличие от рентгеновского излучения, терагерцовое безопасно для организма человека. Поэтому большую сферу применения «терагерцы» могут найти, прежде всего, в медицине, а также в биомедицинских исследованиях. Например, методы ТГц-спектроскопии и визуализации широко применяются в ТГц-биофотонике. Такие разработки позволяют визуализировать компоненты тканей: клетки, микрофибриллы и даже клеточные органеллы (подробнее о методах диагностики и визуализации на основе излучения терагерцового диапазона можно почитать в интервью Ольги Смолянской, руководителя лаборатории Фемтомедицины Международного института Фотоники и оптоинформатики).
 
  Источники терагерцового излучения.

  Благодаря широкой сфере применения большинство современных научных работ в области терагерцового излучения направлено на поиск новых, более стабильных, мощных и эффективных источников.
  Сейчас эталоном и самыми распространенными источниками терагерцового излучения служат твердотельные материалы. Хотя существуют также источники на основе лазерной фемтосекундной филаментации в воздухе и газах. Мощный лазерный пучок создает в газовой среде плазму, где происходит ионизация среды, ведущая к генерации электромагнитного терагерцового излучения.

Визуализация модели возможной физики генерации терагерцового излучения. Лазерное возбуждение среды приводит к её ионизации, разделению носителей тока и наведению диполя, являющегося источником терагерцовых волн.

  Раньше считалось, что сделать то же самое в жидкой среде нельзя. Полярные жидкости (прежде всего вода) являются сильными поглотителями электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне, поэтому исторически такие жидкости не рассматривались в качестве хороших кандидатов в терагерцовые источники.
 
  Совместное исследование ученых Университета ИТМО и исследователей из Университета Рочестера.

В 2018 году международная группа исследователей из Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО и Института Оптики Университета Рочестера показала, что жидкостные источники излучения могут быть не менее эффективны, чем традиционные, а также предложила аналитическую модель, описывающую природу этого явления. Кроме того, исследователи показали, что жидкость обладает и рядом преимуществ перед другими источниками, например, газами.
  Также в этой работе ученые исследовали, как направлено терагерцовое излучение, получаемое в жидкости. В результате они составили и физически обосновали диаграммы направленности терагерцового излучения в жидкости, а также зависимость направления от угла, под которым излучение накачки падает на жидкую струю.
 
  Какие преимущества имеют жидкости по сравнению с газами и твердотельными источниками.

  Принято считать, что при филаментации лазерного излучения в газовой среде, эффективность генерации терагерцового излучения определяется плотностью свободных электронов. Количество свободных электронов одной молекулы зависит от энергии ионизации: энергии, необходимой для отрыва электрона с внешней орбиты. Плотность молекул в жидкости гораздо выше, чем в газе, за счет чего сопоставимая энергия накачки позволяет сгенерировать гораздо больше электронов, что приводит к усилению терагерцового излучения. Разница необходимых энергий ионизации накачки в газе и жидкости невелика. Но при этом плотность молекул в жидкости гораздо выше, чем в газе. За счет этого сопоставимая энергия накачки позволяет возбудить гораздо больше электронов и сделать излучение сильней.


Терагерцовый лазер

  По сравнению с твердотельными источниками жидкости имеют ряд преимуществ. Во-первых, они выдерживают большую энергию накачки, что позволяет получить более высокую энергию на выходе. Помимо этого, они более доступны и дешевы.
 
  Что показало новое исследование

Главной задачей ученых остается работа над тем, чтобы решить проблему большого поглощения. Для решения этой задачи в новом исследовании физики из лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий проводили эксперименты с целью определить оптимальные типы жидкости, толщину струи, мощность излучения накачки, а также ряд других параметров.
  В статье, опубликованной в журнале Optics Express, ученые исследовали эффективность генерации терагерцового излучения в струях жидкости при одноцветной накачке. В работе использовались несколько видов жидкости: вода, этанол, тяжелая вода и ацетон. Такой набор обусловлен тем, что интересующие исследователей параметры у этих жидкостей различаются.
  «В этой работе мы предлагаем комплексный подход: в исследовании есть как экспериментальная часть, так и теоретическая апробация. Мы провели исследование различных жидкостей, а также многих параметров, как лазерного излучения накачки, так и самой среды генерации, — комментирует Евгения Пономарёва, соавтор статьи, студентка 4-го курса факультета Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, сотрудник лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий. — В частности, мы проанализировали жидкости с разными параметрами энергии ионизации, плотности, поглощения в терагерцовом диапазоне. По итогам исследования было выявлено, что учет всех параметров важен для повышения эффективности генерации. Эксперимент также подтвердил, что в сравнении с водой ацетон дает большую эффективность на выходе. Даже при первом приближении такой анализ позволяет оценить потенциал использования определенной жидкости для этих целей».

Евгения Пономарёва
  Кроме того, исследователи продемонстрировали в работе, как параметры среды, в числе которых молекулярная плотность, энергия ионизации и линейное поглощение, влияют на эффективность генерации терагерцового излучения в жидкости. Экспериментальные измерения показали, что зависимость энергии терагерцового излучения от энергии импульса накачки имеет квазиквадратичный характер. На практике это показывает более резкий рост терагерцового выхода с увеличением накачки, объясняет Евгения Пономарёва. В дальнейшем ученые намерены продолжить исследования и теоретически обосновать этот аспект.
  Также в работе была теоретически предсказана и экспериментально подтверждена оптимальная длительность импульса накачки, зависящая от толщины струи. Полученная эффективность преобразования энергии оптического излучения в терагерцовую сопоставима с величинами, достигаемыми при лазерной филаментации в газовых средах.
 
  Перспективы

  В перспективе эти результаты могут быть успешно применены для создания нового альтернативного источника терагерцового излучения. В дальнейших работах исследователи планируют исследовать большой набор различных жидкостей — как полярных, так и неполярных. Закупка необходимых материалов уже идет. В итоге учёные намерены составить целую базу жидкостей, благодаря которой будет понятно, какие из них имеют потенциал для дальнейшего использования.
  Кроме того, в ближайшее время ученые продолжат экспериментально исследовать генерацию терагерцового излучения в различных жидкостях, в том числе в условиях двойной накачки, а также исследовать различные параметры лазерного излучения и продолжать разрабатывать теоретические модели.
  В начале  2019 года научная группа лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий выиграла грант Российского научного фонда (РНФ), рассчитанный на три года. К этому времени авторы проекта планируют собрать установку, которая должна показать хорошую эффективность преобразования оптического излучения в терагерцовое, сравнимую с двухцветной филаментацией в газах. Это исследование продолжится и после завершения трехлетнего срока, так как учёные видят значительные перспективы в развитии этого направления.
  «Жидкость — это универсальный и экономичный источник. У нее нет порога разрушения, как, например, в кристалле, поэтому в будущем это может стать повсеместным источником использования терагерцового излучения, — комментирует Евгения Пономарёва. — Сейчас нам важно понимать, как мы можем менять параметры самого лазерного излучения. Мы также ведем работу по изменению длины волны. Есть теоретические предположения о том, что, если мы будем сдвигаться в инфракрасную область, то эффективность преобразования оптического излучения в терагерцовое будет в разы больше. Поэтому наш проект направлен не только на изучение самих жидкостей и их свойств. Цель проекта в том, чтобы всесторонне изучить физику процессов и определить оптимальные параметры источника терагерцового излучения на основе жидкости, обеспечивающие повышения его эффективности».
 
2019-05-29
В Международном институте Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО впервые в мире измерили нелинейности в терагерцовом диапазоне частот.
  Ученые лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО впервые в мире смогли напрямую измерить нелинейный показатель преломления вещества в терагерцовом диапазоне. Результаты экспериментов сопоставили с ранее проведенными теоретическими расчетами, чтобы подтвердить наличие нелинейных эффектов. Данные, полученные таким способом, можно использовать для управления светом, а также в фундаментальных и биомедицинских исследованиях. Результаты опубликованы в апрельском номере  Optics Express.
  За последние 40 лет терагерцовое изучение нашло широкое применение для систем контроля качества и обеспечения безопасности, определения веществ, а также для различных биомедицинских исследований. Но высокомощные источники излучения в этом диапазоне появились не так давно. При этом мощное излучение изменяет показатель преломления среды и влияет на то, как она пропускает излучение других диапазонов. Исследователи называют такие эффекты нелинейностями и изучают их, чтобы создавать устройства для управления светом.
  Ученые лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института Фотоники и оптоинформатики впервые в мире смогли напрямую измерить нелинейный показатель преломления вещества в терагерцовом диапазоне. Для этого они адаптировали ранее известный метод Z-сканирования. С его помощью ученые получили экспериментальные данные о том, как высокомощное излучение изменяет показатель преломления исследуемого образца. Затем провели численное моделирование эксперимента и сравнили результаты: они оказались схожими.
Мария Жукова
  «Мы впервые смогли достоверно убедиться, что терагерцовое излучение вызывает сильную нелинейность в среде. Пока мы провели измерения только для воды, но планируем расширить диапазон сред, в которых будем проводить экспериментальные и теоретические исследования такого рода. Полученные данные пригодятся при создании устройств управления светом, а также в фундаментальных и биомедицинских исследованиях», – комментирует Мария Жукова, аспирант 3-го года обучения факультета Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, сотрудник Лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий.


Максим Мельник
  «Наша лаборатория давно занимается разработкой высокоэффективных источников излучения терагерцового диапазона, и мы уже добились в этом определенных успехов. Но прежде чем углубляться в физику излучения, мы решили описать нелинейности, которые оно вызывает. Тем более, что экспериментальная база с редким и дорогостоящим оборудованием лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий это позволяет. Мы смогли подобрать и адаптировать метод измерения нелинейности, чтобы максимально эффективно его использовать»,
– добавляет коллега Марии Максим Мельник, аспирант 4-го года обучения факультета Фотоники и оптоинформатики.
Статья: High Kerr nonlinearity of water in THz spectral range. Anton Tcypkin, Maksim Melnik, Maria Zhukova et al. Optics Express. April 1, 2019
 
 

ITMO.NEWS, Анастасия Комарова
2019-05-27
Международная летняя школа для студентов по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp – 2019» 27.05.2019 - 07.06.2019

  27 мая 2019 года в Международном институте «Фотоники и оптоинформатики» Университета ИТМО вновь откроется «Летняя школа для студентов по фотонике и оптоинформатике» («Summer Camp - 2019»). Впервые школа открылась в июне 2014 года,  и с этого момента проходит ежегодно. В этом году школа откроется уже в пятый раз, и её работа будет проходить с 27 мая по 7 июня. Традиционно в школе участвуют студенты из разных стран мира.
  Школа посвящена актуальным фундаментальным и прикладным проблемам фотоники. Основные тематики этого года:
  • Квантовая криптография.
  • Квантовые телекоммуникации.
  • Фемтосекундная и ТГц оптика.
  • Биофотоника.
  • Цифровая голография.
  Все мероприятия в рамках школы проводятся на английском языке. Научная программа мероприятия включает доклады и мастер-классы ведущих ученых, специалистов в области фотоники. Участники школы смогут принять участие в обсуждении современных научных проблем, а также представить результаты своих исследований.
Формат мероприятия включает в себя:
  • реальную исследовательскую работу по различным темам, под руководством экспертов высшего уровня;
  • обзорные лекции ведущих учёных по тематикам школы, описывающие последние результаты и достижения в различных областях фотоники;
  • презентации участников летней школы по результатам исследований.
2019-05-21
Факультет Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО объявляет набор в Летнюю школу по Фотонике и оптоинформатике.
  Уважаемые школьники, факультет Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО объявляет очередной набор в Летнюю школу по Фотонике и оптоинформатике. Приглашаются школьники 10-х классов, все, кому интересны физика, математика и информатика.     
  Сроки проведения Летней школы: с 17 по 19 июня.
 В ходе работы Летней школы по Фотонике и оптоинформатике опытные педагоги и учёные будут знакомить учащихся с новейшими исследованиями в области квантовой информатики, биомедицины, фемтосекундной оптики, а также с другими перспективными направлениями. Занятия будут проходить в формате лекций и мастер-классов. По окончании Летней школы участникам выдаётся свидетельство о прохождении практики. А также, в качестве бонуса, предоставляется возможность начать собственный научно-исследовательский проект под руководством преподавателей и ведущих научных сотрудников факультета Фотоники и оптоинформатики.
 Для участия в Летней школе необходимо подать заявку на сайте ITMO.START
 
В заявке необходимо указать ФИО, номер школы, телефон для связи.
 Дата окончания приёма заявок: 10 июня.
 
Ответственный за Летнюю школу:
Андреева Наталья Владимировна
тел.: (812) 323-75-56, +7-911-975-58-48;
E-mail: nvandreeva@itmo.ru
2019-04-29
Подведены итоги конкурса на получение стипендии Правительства РФ по приоритетным направлениям на весенний семестр 2018/2019 уч.г.
  Подведены итоги конкурса на получение стипендии Правительства РФ на весенний семестр 2018/2019 уч. года по приоритетным направлениям модернизации и технологического развития экономики Российской Федерации.
  От всей души поздравляем бакалавров и магистрантов факультета «Фотоники и оптоинформатики», показавших выдающиеся результаты в учебной, научной и публикационной деятельности.

  Наши победители.
Зайцев Антон                      гр. V4200, образовательная программа -
«Оптические и квантовые технологии в коммуникациях».
Исмагилов Азат                   гр. V4202, образовательная программа - «Биофотоника».
Соколов Павел                   гр. V4202, образовательная программа - «Биофотоника».
Сальникова Алина             гр. V4202, образовательная программа - «Биофотоника».
Литвинов Егор                    гр. V41021, образовательная программа - «Биофотоника».
Фадеев Максим               гр. V41051, образовательная программа - «Квантовые технологии в коммуникациях».
Пономарева Евгения       гр. V3400, образовательная программа - «Оптические и квантовые технологии передачи, записи и обработки информации».
Воронцова Ирина               гр. V3200, образовательная программа - «Оптические и квантовые технологии в коммуникациях».
   1    2    3    4    5    Следующая
Design by Anton Alfimov         Powered by MagicTeam