Ученые нашли способ
фиксировать терагерцовое излучение с высокой частотой кадров. Для этого они пропускали
сигнал сквозь пар из атомов цезия, которые превращали электромагнитные волны
дальнего инфракрасного диапазона в зеленый свет, доступный для фиксации обычной
камерой. В результате удалось впервые записать терагерцовое видео с частотой в
три тысячи кадров в секунду, при этом сохраняя высокое разрешение и
чувствительность, пишут авторы в журнале Physical Review X.
Терагерцовое излучение —
это диапазон электромагнитных колебаний между инфракрасным спектром и радио.
Длина этих волн примерно равна от 0,01 до 3 миллиметра, их также называют Т-лучами
или субмиллиметровым излучением — последний термин принят в астрономии. В
зависимости от контекста эти волны относят то к дальнему инфракрасному
диапазону, то к микроволновой части радио диапазона.
Терагерцовое излучение
представляет интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и в плане прикладных
применений. С одной стороны, периоды колебаний терагерцовых волн примерно
соответствуют типичному времени многих физических явлений, таких как колебания
электронов в твердых телах и вибрации кристаллических решеток, с другой — это
излучение можно использовать для просвечивания объектов с целью обеспечения
безопасности или для получения медицинской информации.
Основная проблема в сфере изучения терагерцовых волн — недостаточное развитие методов генерации и регистрации. Источники и приемники существуют, но первые недостаточно
эффективны, чтобы создавать яркий поток, а вторые обладают низкой
чувствительностью, из-за чего им требуется время накопления сигнала,
ограничивающее максимальную частоту съемки.
Британские физики из Даремского
университета под руководством Кевина Уэверилла (Kevin Weatherill) придумали и
реализовали новый метод фиксации терагерцового излучения, который позволяет
записывать видео с частотой в тысячи кадров в секунду. Ключевой использованной
идеей было преобразование сигнала с повышением частоты при прохождении
излучения сквозь облако возбужденных атомов цезия. В результате после
взаимодействия с атомами получался поток зеленого света видимого диапазона,
который записывался обычной высокоскоростной камерой.
Преобразование с
повышением частоты (апконверсия фотонов) происходило при взаимодействии с атомами
цезия, находящимися в ридберговском состоянии, то есть при наличии одного
высоковозбужденного электрона. Апконверсия заключается в поглощении одного фотона
и последующем испускании фотона более высокой энергии. Выбор подходящего атома
в нужном состоянии позволяет добиться высокой вероятности апконверсии и малого
времени переизлучения. В данном случае поглощение терагерцового кванта света в
52,4 процентах случаев приводило к рождению фотона видимого диапазона.
Облако атомов находилось при
температуре около 50 градусов Цельсия в кварцевой ячейке, а нужное состояние
поддерживалось за счет трех лазеров, которые постоянно заново возбуждали атомы.
Авторы просвечивали различные объекты излучением с частотой в 0,55 терагерц от постоянного
источника и фокусировали его на облаке атомов. В результате ученым удалось записать
видео с частотой до трех тысяч кадров в секунду, при этом сохраняя близкую к
дифракционному пределу разрешающую способностью. Также данная система выгодно
отличается от аналогов одновременной фиксацией полных кадров, а не попиксельным
сканированием, как в случае многих аналогов.
Исследователи отмечают,
что дополнительные усовершенствования могут значительно улучшить систему. В
частности, предельная частота кадров ограничена временем жизни данного возбужденного
состояния атома цезия, которое составляет 0,8 микросекунд. Это значит, что
теоретически возможно создавать видео примерно с миллионом кадров в секунду. Также
существует много других атомов с подходящими переходами, что позволяет
создавать «многоцветное» видео, комбинируя несколько спектральных каналов.
Ранее ученые зарегистрировали терагерцовое излучение воды, сгенерировали рекордно мощные импульсы терагерцового излучения и впервые создали лазер терагерцового диапазона, не требовавющий криогенного охлаждения.
