Les chercheurs utilisent des lasers pour générer des impulsions térahertz via une interaction avec une cible. Dans ce cas, la cible était un film d'eau extrêmement mince - environ 200 microns ou environ l'épaisseur de deux morceaux de papier - créé à l'aide d'eau suspendue entre deux fils d'aluminium. Crédit :Université de Rochester photo / Kaia Williams
Xi-Cheng Zhang a travaillé pendant près d'une décennie pour résoudre un casse-tête scientifique que de nombreux chercheurs croyaient impossible :produire des ondes térahertz - une forme de rayonnement électromagnétique dans la gamme de fréquences infrarouge lointain - à partir d'eau liquide.
Maintenant, comme indiqué dans un article publié dans Lettres de physique appliquée , des chercheurs de l'université de Rochester ont « rendu l'impossible, possible, " dit Zhang, le professeur d'optique M. Parker Givens. « Découvrir comment générer des ondes térahertz à partir d'eau liquide est une avancée fondamentale, car l'eau est un élément si important dans le corps humain et sur Terre. »
Les ondes térahertz ont récemment attiré une attention accrue en raison de leur capacité à traverser de manière non destructive des objets solides, y compris ceux en tissu, papier, bois, Plastique, et céramiques, et produire des images de l'intérieur des objets. En outre, l'énergie d'un photon térahertz est plus faible qu'un photon de rayons X. Contrairement aux rayons X, les ondes térahertz ne sont pas ionisantes - elles n'ont pas assez d'énergie pour retirer un électron d'un atome - elles n'ont donc pas les mêmes effets nocifs sur les tissus humains et l'ADN.
En raison de ces capacités, les ondes térahertz ont des applications uniques en imagerie et en spectroscopie, depuis la découverte de bombes dans des colis suspects, à l'identification des peintures murales cachées sous des couches de peinture, pour détecter la carie dentaire.
"Les ondes térahertz ont la capacité de voir à travers les vêtements, c'est pourquoi vous avez ces scanners corporels sub-térahertz dans les aéroports, " dit Zhang. " Ces ondes peuvent aider à identifier si un objet est explosif, chimique, ou biologique, même s'ils ne peuvent pas dire exactement quel est l'objet."
Le groupe de recherche de Zhang utilise des lasers pour générer des impulsions térahertz via une interaction avec une cible. Dans ce cas, la cible est un film d'eau extrêmement mince - environ 200 microns ou environ l'épaisseur de deux morceaux de papier - créé à l'aide d'eau suspendue par tension superficielle entre deux fils d'aluminium. Les chercheurs concentrent un laser dans le film d'eau, qui agit comme un émetteur pour la sortie de rayonnement térahertz.
Des chercheurs précédents ont généré des ondes térahertz à partir de cibles de cristaux solides, métaux, plasma aérien, et de la vapeur d'eau, mais, jusqu'à maintenant, l'eau liquide s'est avérée insaisissable.
Le dispositif expérimental utilisé pour générer des ondes térahertz à partir d'eau liquide. Les chercheurs concentrent le faisceau de pompe optique dans le film d'eau et utilisent une série de filtres et de miroirs paraboliques hors axe (OAPM) pour détecter le signal térahertz et bloquer toute autre onde lumineuse générée simultanément à partir du film d'eau. Crédit :Université de Rochester / Xi-Cheng Zhang Lab
"L'eau était considérée comme l'ennemie des ondes térahertz en raison de sa forte absorption, " dit Zhang. " Nous avons toujours essayé d'éviter l'eau, mais c'est une source térahertz étonnamment efficace."
En réalité, lorsque les chercheurs ont mesuré les ondes térahertz générées par l'eau, ils ont découvert qu'elles étaient 1,8 fois plus puissantes que les ondes térahertz générées par le plasma de l'air dans des conditions expérimentales comparables.
Parce que l'eau est un absorbeur si puissant, cependant, de nombreuses personnes dans la communauté des chercheurs pensaient qu'il serait impossible d'utiliser l'eau comme cible. Zhang lui-même a passé des années à tenter une solution, et il a trouvé un également fidèle à Qi Jin, maintenant doctorant en optique à Rochester, et l'auteur principal de l'article.
"Presque tout le monde pensait que nous ne serions pas en mesure d'obtenir un signal de l'eau, " dit Jin. " Au début, Je n'y croyais pas non plus."
L'un des défis consistait à créer un film d'eau suffisamment fin pour que les photons térahertz générés par le faisceau laser ne soient pas absorbés, mais suffisamment épais pour résister à l'énergie du laser.
Avec Yiwen E, un associé postdoctoral dans le groupe de recherche de Zhang, Jin a passé des mois à optimiser l'épaisseur du film d'eau et l'angle d'incidence, intensité, et la durée d'impulsion du faisceau laser.
"Nous avons augmenté un peu l'épaisseur de l'eau, et progressivement augmenté le laser, et j'ai juste continué à essayer jusqu'à ce que nous puissions le faire fonctionner, " dit Jin. " L'eau est l'une des ressources les plus riches sur Terre, il était donc très important pour nous de pouvoir générer ces vagues à partir de l'eau. Il y a eu plusieurs fois où j'ai voulu abandonner ça, mais les gens du labo n'arrêtaient pas de m'encourager."
Zhang est d'accord :« Je dis toujours à mes étudiants et chercheurs ici :si vous essayez quelque chose, vous pourriez ne pas obtenir le résultat que vous vouliez. Mais si vous ne l'essayez jamais, vous ne l'aurez certainement pas."
