Ученые Университета ИТМО исследовали свойства терагерцовых лучей Бесселя для беспроводной связи



Лучи Бесселя обладают рядом очень полезных свойств. Во-первых, они являются бездифракционными пучками, то есть распространяются по своей оптической оси без изменения структуры. Проще говоря, лучи остаются сфокусированными на больших расстояниях, которые при определенных идеальных и теоретических условиях могут быть бесконечными. Во-вторых, благодаря своим физическим свойствам пучок может «восстанавливаться» даже после встречи с препятствием, например, если он распространяется во влажной атмосфере.

Эти свойства делают луч Бесселя привлекательным для использования в различных системах, в том числе для беспроводной связи. Особый интерес у ученых вызывают пучки в терагерцовом диапазоне излучения. Почему? Дело в том, что его спектр частот начинается с инфракрасного и доходит до сверхвысокочастного, то есть длина волны колеблется в пределах одного миллиметра. А чем шире спектральный диапазон, тем больше количество каналов, которые могут одновременно использовать множество различных девайсов. Это в совокупности увеличивает скорость подключения для каждого отдельного устройства.

Терагерцовый лазер. Источник: news.mit.edu
Терагерцовый лазер. Источник: news.mit.edu

Кроме того, терагерцовое излучение обладает свойством проникать сквозь различные среды и при этом является неионизирующим, то есть безвредным для здоровья человека (об ионизирующих излучениях и их влиянии на человека можно прочитать на сайте ВОЗ).  Но проблема в том, что в природе таких идеальных лучей Бесселя не существует, потому что для их генерации потребовалась бы бесконечно длинная линза и бесконечное количество энергии. Именно поэтому ученые получают квази-лучи Бесселя фокусированием лучей Гаусса с помощью специальной линзы-аксикона. В результате получают лучи Бесселя-Гаусса со свойствами, максимально приближенными к свойствам идеального луча Бесселя.

«Прежде, чем применять эти пучки на практике, необходимо исследовать их свойства. Так, наша работа посвящена полному пространственно-временному и спектральному анализу распространения пучков для импульсного терагерцового излучения. На этой стадии мы проводили численное моделирование при распространении пучка в вакууме», – сказал первый автор статьи, сотрудник международного института «Фотоника и оптоинформатика» Университета ИТМО Максим Куля.

Ранее такой комплексный анализ пространственно-временной и пространственно-спектральной динамики распространения пучка Гаусс-Бесселя для импульсного терагерцового излучения не проводился. Ученые из Университета ИТМО смогли промоделировать эволюцию напряженности электрического поля импульсного терагерцового пучка Гаусс-Бесселя: амплитуду поля, его спектральные характеристики (в том числе фазу) и некоторые другие важные показатели. Это можно сделать в произвольной точке пространства при распространения пучка.

Максим Куля
Максим Куля

Моделирование проводилось с помощью метода импульсной терагерцовой голографии с разрешением во времени. Он основывается на классической терагерцовой спектроскопии с разрешением во времени и позволяет регистрировать двумерное распределение комплексной амплитуды терагерцового поля, а также производить численный расчет его распространения в произвольную плоскость. Таким образом, можно проследить всю пространственно-временную эволюцию терагерцового поля. Ранее метод был экспериментально апробирован на восстановлении изображения и рельефа амплитудно-фазового объекта в спектральном диапазоне 0,1-0,5 ТГц.

«Мы показали полную пространственно-временную эволюцию данных пучков, в том числе в сравнении с экспериментальными работами предыдущих авторов, где исследовалось сверхсветовое распространение терагерцовых импульсов в пучках Бесселя. Сейчас требуется экспериментальное подтверждение полученных результатов, что будет нашим следующим шагом», – отметил Максим Куля.


Статья: On terahertz pulsed broadband Gauss-Bessel beam free-space propagation, Maksim S. Kulya, Varvara A. Semenova, Victor G. Bespalov, Nikolay V. Petrov, Scientific Reports, 2018.

Источник: новостной портал "ITMO News".