Направленный вай-фай, способный преодолеть космические масштабы, и голограммы из научно-фантастических фильмов перестали быть выдумкой благодаря учёным. Создавать терагерцовое будущее им помогают закрученные пучки. Но смогут ли исследователи выбраться из терагерцовой «ямы»? И что это такое?

Лаборатория с уникальной установкой — Новосибирским лазером на свободных электронах (НЛСЭ) спряталась между зданием Института химической кинетики и горения СО РАН и Институтом лазерной физики СО РАН. Ускорительный комплекс укрыт железобетонным саркофагом и занимает два этажа. Он является мощным источником, который помогает изучать труднодоступный терагерцовый (ТГц) диапазон частот электромагнитного (ЭМ) спектра. На НЛСЭ работает Наталья Осинцева, младший научный сотрудник лаборатории 8-1 Института ядерной физики СО РАН.

— Расскажите, какие исследования вы проводите?

— Я занимаюсь формированием оптических вихрей, в частности бесселевых пучков. Это раздел дифракционной оптики, который изучает применение и методы получения пучков излучения электромагнитного спектра, профиль интенсивности которых описывается формулой Бесселя. Их получают с помощью дифракционных элементов. Моя работа направлена на формирование таких пучков и изучение их свойств. Вне поля диссертации, я также занимаюсь применением бесселевых пучков для генерации поверхностных плазмонов и изучением их характеристик.

— Что такое пучки Бесселя?

— Чаще всего мы встречаемся с гауссовым лазерным пучком, его поперечный профиль интенсивности хорошо описывается функцией Гаусса. Именно такой пучок дает нам НЛСЭ. Гауссов пучок обладает условно плоским волновым фронтом, это означает, что если мы его разрежем поперёк, то фаза волны будет одинакова на всей площади разреза. У вихревого пучка поверхность постоянной фазы это не плоскость (круг), а трёхмерная поверхность в форме винта — геликоида. Поэтому если его разрезать поперёк, то в плоскости разреза фаза будет зависеть от угла и для пучка с закрученностью 1 (один винт) пробегать значения от 0 до 2π (0–360°), для закрученности 2 (2 винта) — от 0 до 4π (0–720°), и т.д.

При этом на оси пучка (в центре) по понятной причине формируется сингулярность, т.е. неопределённость фазы. Из-за этого профиль интенсивности таких пучков демонстрирует нулевое значение в самом центре на оси, однако вокруг энергия остаётся и представляет собой некоторое кольцо. Профиль интенсивности бесселевых пучков описывается функцией Бесселя с порядком, соответствующим закрученности, и в поперечном сечении представляет несколько колец с общим центром.

При распространении световые пучки могут встречать амплитудные и фазовые препятствия. Амплитудное насквозь пройти нельзя, это сплошной объект, например, для видимых волн это может быть кружка из непрозрачного материала. Фазовое — это какая-то неоднородность, например, узорчатое стекло (полностью пропускает свет, но изображение за ним остается размытым), а если мы говорим про атмосферу — это туман, смог, аэрозоли и т.д. Если бесселев пучок сталкивается с препятствием, он разрушается, но потом восстанавливает своё распределение интенсивности, как будто ничего и не было, сохраняется возможность зарегистрировать сигнал. Такое свойство этих пучков называют свойством «самовосстановления».

— Как лазер на свободных электронах (ЛСЭ) помогает изучать бесселевы пучки?

— У лазера гауссов профиль интенсивности пучка, то есть у него плоский волновой фронт, похожий на блинчик в поперечной плоскости сечения. Этот пучок мы пропускаем через дифракционный оптический элемент, который представляет собой кремниевую бинарную фазовую пластинку со спиральным рельефом, таким образом гауссов пучок трансформируется в бесселев.

— В чём уникальность лазера на свободных электронах?

— Во-первых, его частота излучения лежит в терагерцовом спектральном диапазоне, с которым мы и работаем. С ним связано такое понятие, как терагерцовая «яма», потому что очень долго этот диапазон оставался малоизученным из-за отсутствия эффективных источников и детекторов.

Во-вторых, уникальность ЛСЭ в том, что это очень мощный перестраиваемый источник (рабочие длины волн 5–400 микрометров), а также он даёт квазинепрерывное излучение, то есть с одной стабильной длиной волны. В основном все терагерцовые источники очень слабые, но благодаря мощности ЛСЭ (в среднем 400 Вт) и имеющимся у нас детекторам, мы можем в реальном времени фиксировать пучки, как будто снимаем их на камеру телефона. А коллеги, которые работают, например, с источниками, основанными на преобразовании импульсов фемтосекундных ИК лазеров или с какими-то другими, не могут себе этого позволить. Из-за низкой интенсивности излучения работа требует поточечного двумерного сканирования для получения одного кадра. Мы можем всю конструкцию с камерой спокойно двигать влево и вправо в реальном времени. А со слабым источником очень долго и сложно работать, и в этом плане нам повезло.

— А существуют ли бесселевы пучки в природе?

— Думаю, что вихревые вообще не встречаются в естественной среде, скорее всего это всегда искусственно созданные пучки. Исследования идут примерно с 90-х годов, пионерской считается работа Аллена 1992-го года. В ней рассматриваются пучки, у которых есть сингулярность фазы в центре, то есть неопределённость. Распределение интенсивности представляет собой кольцо. Такие пучки в зарубежной литературе принято называть «doughnut-like beams», то есть пончико-подобные.

— Есть ли какие-то сложности в исследованиях, связанные с новизной этой области?

— Главная сложность — с источником, т.е. с терагерцами. Именно в области терагерцев мало что изучено. Вихревые пучки уже были сформированы и в видимом диапазоне, и в радио-, и в ультразвуковом, в каком-то смысле мы идём по стопам коллег из других диапазонов. Но именно наша сложность — это терагерцовый диапазон. Проблемы, как я уже говорила, были с наличием источников, с детекторами, а ещё с материалами. Потому что оборудование для видимого и радиодиапазона несложно изготовить. А для работы с терагерцами нужны новые материалы, технологии по их обработке и производству элементов.

— В чём цель изучения этого диапазона?

— Терагерцовый диапазон лежит между радио- и видимым. «Терагерцы» — сейчас очень модная тема. Самое перспективное применение — это шестое поколение беспроводной связи, т.е. 6G, частоты которого попадают в терагерцовый диапазон. Ожидается, что эта технология увеличит объём передаваемых данных за счёт повышения частоты.

Передача с помощью бесселевых пучков обладает своими преимуществами. «Упаковка» сигналов в такую форму сделает его стабильнее. Терагерцовое излучение, с одной стороны, это более высокочастотная область, у него меньшая длина волны по сравнению с радиоволнами. И это позволяет создавать направленные пучки. Например, от Wi-Fi-источника излучение распространяется во все стороны, а здесь, если говорить про «терагерцовый Wi-Fi» — это излучение может быть направлено именно в ваш телефон, в ваш умный чайник или ещё куда-то.

Увеличивается уровень сигнала, потому что он не рассеивается во все стороны. А бесселевы пучки могут и после препятствий восстанавливают свою форму, что повышает стабильность связи. За счёт вихрей мы увеличиваем плотность каналов данных, т.е. в одном пучке мы можем передать несколько сигналов на одной частоте. Это своего рода маркер. Мы, например, в пучок с закрученностью 1 закодировали картинку с котиком, в пучок с закрученностью 2 — с щеночком, и т.д. Потом мы их легко раскодируем, потому что знаем, какие пучки как закодированы. Становится возможным передать множество сигналов в одном пучке, которые не взаимодействуют друг с другом, и таким образом повысить информационную ёмкость связи. В этом ключе моя работа связана с исследованием возможности такого кодирования и декодирования, то есть экспериментальным исследованием дифракционных методов формирования бесселевых пучков и их распознавания при нетривиальных условиях.

— Вы недавно получили награду на конференции HoloExpo, можете рассказать подробнее про свои успехи?

— В прошлом году на этой конференции мне вручили награду за лучший доклад. Кстати, весной того же года я получила ещё и награду за лучшую выпускную квалификационную работу, по той же теме. HoloExpo — конференция изначально голографическая, но организаторы расширяют тематику, поэтому мне удалось представить свою работу в её рамках.

На конференции этого года мои работы отметили другой наградой — медалью имени Владилена Степановича Летохова. Оптическое общество им. Д.С. Рождественского вручает эту награду молодым учёным за исследования в области голографии, в лазерных и оптических технологиях и т.д. Эта медаль вручается молодым специалистам за достижения в этих областях. В грамоте написано «за плодотворную деятельность в области голографических технологий», но я не голографист в классическом понимании. Летохов был пионером в области лазерной физики и спектроскопии, а я и близко не спектроскопист, но мою область тоже отметили. Вот у меня здесь есть голограмма…

На столе стоит небольшая деревянная рамочка с ярким объёмным рисунком. Наталья светит на него фонариком, и изображение вырастает будто из-под стекла.

— Помните, раньше были картинки, календарики с двумя меняющимися изображениями? Их называли голограммами. Но на самом деле это стереограмма, а голография, технология с помощью которой записываются такие изображения (как в рамке — прим. ред.) — это способ записи изображения за счёт интерференции лучей. Если коротко, облучаем предмет, который хотим записать, от него ловим отражённый сигнал и в стеклянной подложке записываем объёмное изображение. Получается так, будто мы на него смотрим через стекло, это не фотография, а именно объёмное изображение. Это и есть голография и голограмма. Моя руководительница Юлия Юрьевна Чопорова тоже занималась голографией несколько лет назад, но с помощью терагерцовых волн, здесь на ЛСЭ. Голография исследовалась как восстановление изображения. Например, в конверт клали предмет (небольшая маска, вырезанная из тонкого металла) и облучали терагерцами, которыми можно просветить конверт. Потом восстанавливали изображение предмета, и это тоже голография, именно терагерцовая.

— Голограммы больше ассоциируются у людей с научной фантастикой, с 3D-изображениями, как в «Звёздных войнах». Например, по ним можно передавать и записанное видео. Возможно ли это?

— Да, возможно. Как раз на этой конференции (HoloEXPO) я узнала, что существует голографическое телевидение, и технология уже реализована. Такой телевизор, конечно, не купишь, но, тем не менее, технология эта уже реальна. Советую, если вы будете в Питере, посетить Музей оптики ИТМО, в нём как раз очень много голограмм. Основоположник голографии в России — Юрий Денисюк, там представлено много его голографических портретов, а также схема записи голограмм, предложенная самим Денисюком. В музее голограммы очень реалистичные. Очень красивые и цветные, что сложно в изготовлении. А ещё там есть голограмма, которая выглядит так же, как сообщение Леи из фильма «Звёздные войны» с просьбой о помощи, отправленное Оби-Вану. Если перекрыть источник света, то вы увидите, как изображение пропадёт. Тоже очень красиво. Я сначала не могла понять, зачем нужно голографическое телевидение, мы вроде и так смотрим кино, и есть объёмное, типа 3D и 4D, и т.д. Но в случае голографического кино мы будем видеть людей, будто они рядом с нами. Это 3D, но без очков, объекты стоят, ты можешь с одной стороны посмотреть, с другой, т.е. голография — это способ записи предмета со всех сторон.

В прошлом году на этой голографической конференции я докладывала работу о применении бесселевых пучков для формирования плазмон-поляритонов с помощью излучения НЛСЭ. Это также относится к области передачи информации, но проводной. В рамках гранта мы исследовали возможность генерации закрученных плазмонов на металлическом цилиндре (подобие провода в микросхеме). Поверхностные плазмоны — это волна, которая распространяется по поверхности границы металла-диэлектрика. Представьте пластинку, на неё напыляется металл, волна вблизи поверхности распространяется, и с помощью плазмон-поляритонов передаётся информация. Плазмоны в терагерцовом диапазоне имеют свои уникальные свойства, они способны «прыгать» с элемента на элемент. Их применяют в интегральной оптике, то есть используют для создания чипов. За счёт бесселевых пучков они переносят больше информации и быстрее распространяются в терагерцовом диапазоне. Но моему сердцу все же ближе работа с технологиями беспроводной передачи данных. 

— Какое будущее у этой области науки?

— По разговорам коллег и интересу «сверху», я имею в виду, например, гранты, «терагерцы» набирают обороты. Люди начали понимать, что эта тема интересная и полезная, и нужно развивать эту область. Если говорить про передачу информации, то мы потребляем её всё больше и больше, а значит приходится передавать больший объём данных. Для этого нам необходимо переходить в другую область спектра. Иначе просто никак. Существующие способы подходят к своему пределу.

— А какие научные планы лично у вас? Коллаборации, исследования? Хочется ли сменить область?

— У меня с бакалавриата одна тема, которая просто расширяется и расширяется. Когда я заканчивала магистратуру, мне говорили, что в какой-то момент надо остановиться. Что все эти бесселевы пучки… уже достаточно. Но я пока не хочу останавливаться. После магистратуры уже прошло почти пять лет, а я и не думаю, что надо заканчивать с этой темой. Я хочу, чтобы у меня был макет для передачи информации. Для его создания требуется разработка модулятора. С ним есть проблемы именно в терагерцовом диапазоне, потому что у нас пока нет тех инструментов, которые доступны другим. Это тоже задача, и её надо решать. Мне по прежнему интересны именно бесселевы пучки, дифракционная оптика, манипулирование терагерцовым излучением.

Конкретных планов на будущее нет, но есть варианты коллабораций, в том числе с коллегами из Новосибирска, из Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ СО РАН) мы достаточно плотно взаимодействуем в области терагерцовой спектроскопии интересующих нас материалов и образцов. Есть планы по переходу на более высокие мощности. ЛСЭ — это мощный источник, но существуют ещё мощнее — это гиротроны. И коллеги из Нижегородского Института прикладной физики РАН, которые ими занимаются, заинтересованы в применении этого мощного излучения для решения актуальных задач. Они предлагали сотрудничество для формирования бесселевых пучков на их источнике, возможно, в эту сторону мы и будем шагать. За счёт высокой мощности источника излучение можно будет использовать для передачи Земля—космос.

«Терагерцы» вообще идеально подходят для космоса. Они поглощаются молекулами воды, которыми наполнена атмосфера, а значит, чтобы преодолеть такое препятствие, нужен мощный источник, либо передача будет ограничена небольшими расстояниями (это сейчас и предполагается). Другой вариант — космос, в котором вакуум, где нет воды, что является в данном случае идеальной средой.

Когда Максвелл был ребёнком и захотел заниматься физикой, его привели к учителю, тот ему сказал что-то вроде: «Физика уже вся изучена, мальчик, не иди». Мне кажется, что с бесселевыми пучками похожая история. Ещё много вариантов, как их можно применить и что улучшить в науке и технике с их помощью.

Текст: Лиза Койнова.
Полная версия: ИЯФ СО РАН.