液体中のテラヘルツ放射〜その2

ロチェスター大学の研究チームは液体中のテラヘルツ放射の形成に関する研究を行っている。以前は、このような放射線の液体媒体中での生成は、高い吸収のために不可能であると考えられていたが、新たな研究では、物理的性質が明らかになり、液体THz放射線源が有効であることを実証した。(Yiwen et al., Appl. Phys. Lett. 113, 181103, 2018

 

液体中のTHz放射の角度依存性

THz電磁放射は、金属および水を除くほとんどの材料を容易に通過することができる。今日では、医療応用だけでなく、不法薬物や武器の検出に使用されるセキュリティシステムに広く使われている。THz放射線を含む最新の研究は、より安定で強力で効率的なTHz光源の探索に焦点を当てている。

最も一般的なTHz放射源は固体材料であるが、空気中およびガス中のフェムト秒レーザーに基づくTHz放射源も存在する。この場合、強力なレーザービームは、自由電子がTHz電磁放射を生成するイオン化によって、ガス媒体中にプラズマを生成する。液体媒体中で同じことを行うことは、吸収が高いため不可能と考えられていた。ロチェスター大学の研究チームの新しい研究で、液体はガスなどの他の供給源に比べて多くの利点があることがわかってきた。

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Credit: Rochester University

 

最近まで液体中のTHz放射は不可能であると考えられていたが、発生効率が液体源が固体源に近づく可能性が実証された。さらに液体は結晶よりも入手が容易であり、高いポンピングエネルギーにも耐えることができ、より高い出力を得ることが可能である。

一般には放射線発生は、フィラメントから自由励起電子放出によって生成され、より多くの電子が励起またはイオン化されるほど、THz放射出力が大きい。 1分子の励起電子の数は、媒体の励起(ポンピング)エネルギーに依存する。気体と液体の必要なポンピングエネルギーの差は小さい。一方、液体中の分子密度はガス中の密度よりもはるかに高いので、同等のポンプエネルギーはより多くの電子を励起して放射を強くすることが可能になる。

 

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Credit: Rochester University

研究チームは液体中のTHz放射の角度依存を調べ、理論的モデルにより、液体中のTHz放射の放射パターンと、液体がポンプ光と衝突するときの角度に依存することを実証した(上図)。流体の種類は、その吸収量が大きいため、流体の種類、ジェットの形状、ポンプ源など、さまざまなパラメータを最適化することで、液体からさまざまな種類のTHz放射を生成するデバイスを製造することができる。

 

THzビームの重乗によるX線発生

空気中で高密度フェムト秒レーザパルス(35fs、800nm、500Hz)の照射により、薄い水の自由流れからのTHz波と硬X線の同時放出が誘発されることも知られている(Huang et al., Nanomaterials 8:523, 2018)。この研究ではテラヘルツ波とX線の強度測定は、それぞれZnTe(110)結晶とガイガー(Geiger)計器による電気光学サンプリングに基づく時間領域分光法(TDS)を用いた。レーザー焦点における入射レーザ軸に沿った溶液流の位置の関数としてのTHz波およびX線放射の強度プロファイルは、テラヘルツ波のプロファイル幅がX線のプロファイル幅よりも広い(下図)。

さらに、反射と透過の方向で測定されたテラヘルツ波のプロファイルは異なる特徴を示し、単一パルス励起下で、主に水流表面上のレーザー誘起プラズマ中に誘起されるTHz波放射であることを示している。 4.6nsの時間間隔を有するダブルパルス励起下で、THz波放射の5〜10倍の増強が観察された。

 

a The experimental setup for the simultaneous measurements of THz wave time domain

Credit: researchgate

 

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