Een nieuwe bron van intense terahertz (THz) straling, die een minder schadelijk alternatief voor röntgenstralen zou kunnen bieden en een groot potentieel heeft voor gebruik in de industrie, wordt ontwikkeld door wetenschappers van de University of Strathclyde en Capital Normal University in Beijing.

In tegenstelling tot zichtbaar licht, THz-straling dringt door in materialen zoals plastic, karton, hout en composietmaterialen, waardoor het een uitstekende vervanging is voor schadelijke röntgenstralen die worden gebruikt bij beeldvorming, en veiligheid.

Hoewel het algemeen bekend is dat elektromagnetische THz-golven communicatie met ultrahoge bandbreedte kunnen overbrengen, veel groter dan die van wifi, het is minder bekend dat het een zeer bruikbare sonde is voor het detecteren van moleculen en het analyseren van halfgeleiders.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Dino Jaroszynski, van Strathclyde's Department of Physics, heeft experimenteel aangetoond dat ongekend hoge ladingsbundels van relativistische elektronen kunnen worden geproduceerd door een laser wakefield accelerator (LWFA). Deze worden geproduceerd naast de gebruikelijke hoogenergetische, lichtbundels die worden uitgezonden.

Het team toonde aan dat wanneer een intense ultrakorte laserpuls wordt gefocust op heliumgas, er wordt een plasmabel gevormd die bijna met de lichtsnelheid beweegt. Deze hoog geladen elektronenbundels zijn anders dan de gebruikelijke laaggeladen (picocoloumb), hoogenergetisch (100s MeV naar GeV), femtoseconde duur elektronenbundels die vaak worden waargenomen vanuit de LWFA.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

Professor Jaroszynski, Directeur van het Scottish Centre for the Application Plasma-based Accelerators (SCAPA), wie het project heeft opgestart, zei:"Dit is een ongekende efficiëntie bij deze THz-energieën. De toenemende beschikbaarheid van intense THz-bronnen zal leiden tot volledig nieuwe wegen in wetenschap en technologie.

"Nieuwe hulpmiddelen voor wetenschappers leiden tot nieuwe vooruitgang. De interactie van intense THz-straling met materie geeft toegang tot niet-lineaire processen, die de identificatie van normaal verborgen verschijnselen mogelijk maakt, en ook unieke controle over materie, zoals het uitlijnen van moleculen met behulp van hoge THz-velden of het vervormen van de bandstructuur in halfgeleiders.

"SCAPA biedt een ideale omgeving om deze verschijnselen te onderzoeken, die zou moeten leiden tot nieuwe vorderingen in de wetenschap. Onze theoretische studies zijn de eerste stappen in deze opwindende nieuwe richting."

Dr. Enrico Brunetti, van Strathclyde's Department of Physics, de meeste simulaties in het onderzoek uitgevoerd. Hij zei:"Aangezien de lading van groothoekstralen lineair toeneemt met de laserintensiteit en plasmadichtheid, de energie van THz-straling zal schalen naar milijoule-niveaus, die een intense bron van THz-straling zou vormen met piekvermogens van meer dan GW, die vergelijkbaar is met die van een ver-infrarood vrije-elektronenlaser. Een conversie-efficiëntie van optisch naar terahertz in de orde van grootte van 1% kan worden bereikt."

Dr. Xue Yang, een onderzoeker in het project van Capital Normal University, zei:"Als elektronen een grensvlak kruisen tussen twee media met een verschillende diëlektrische constante, overgangsstraling wordt uitgezonden over een breed frequentiebereik.

"Simulaties tonen aan dat groothoekelektronenbundels die worden uitgezonden door laser-wakefield-versnellers coherente terahertz-straling kunnen produceren met 10s µJ tot 100s µJ energie wanneer ze door een dunne metaalfolie of aan de plasma-vacuümgrens van de versneller worden geleid."

THz-straling is ver-infrarode elektromagnetische straling met een frequentie tussen 0,1 THz en 10 THz (1 THz =10^12 Hz), die tussen de midden-infrarood- en microgolfspectra past. De vibrerende en roterende spectrale vingerafdrukken van grote moleculen vallen samen met de THz-band, waardoor THz-spectroscopie een krachtig hulpmiddel is voor het identificeren van gevaarlijke stoffen, zoals drugs en explosieven. Bovendien, THz-straling is belangrijk voor biologie en geneeskunde omdat veel biologische macromoleculen, zoals DNA en eiwitten, hebben hun collectieve beweging op THz-frequenties.

THz-straling kan ook worden gebruikt om de fijne kneepjes van halfgeleiders en nanostructuren bloot te leggen, en zijn daarom belangrijke instrumenten voor de ontwikkeling van nieuwe elektromechanische apparaten en zonnecellen.

Er zijn veel verschillende methoden om THz-straling te genereren, inclusief het aansturen van fotostromen in halfgeleiderantennes, excitatie van kwantumbronnen en optische rectificatie in elektro-optische kristallen. Echter, hun maximale vermogen is beperkt vanwege schade aan de optische materialen bij hoge vermogens. Plasma, in tegenstelling tot, heeft een dergelijke beperking niet, omdat het al kapot is

Het nieuwe onderzoek toont aan dat deze high-charge-nanocoloumb-, en relatief lage energie (MeV), elektronenbundels met een duur van minder dan een picoseconde worden uitgezonden in een holle kegel met een openingshoek van bijna 45 graden ten opzichte van de as van de laserstraal. De onderzoekers laten zien dat laserenergie efficiënt kan worden overgedragen naar een zeer intense puls van THz-straling.