Физики ИЯФ СО РАН получили российскую премию за цикл работ, посвященных освоению терагерцевого диапазона
- 09.07.2025
Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) стали лауреатами премии имени Ю.И. Островского – ежегодного конкурса за лучшие научные работы в области оптической голографии и интерферометрии. Научная группа, в которую входят физики ИЯФ СО РАН, Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королёва (Самарский университет), Научного центра лазерных материалов и технологий Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН), была награждена за цикл работ, посвященных исследованию вихревых бесселевых пучков терагерцевого излучения для развития телекоммуникационных технологий. Бесселевы пучки – это оптические вихри, в которые можно «запаковывать» терагерцевое излучение и использовать его для высокоскоростной передачи данных в многоканальных системах связи шестого поколения (6G). Для тщательного исследования свойств бесселевых пучков они должны обладать высокой мощностью – пока что создавать такие можно только на Новосибирском лазере на свободных электронах (НЛСЭ) – уникальном источнике терагерцевого излучения, не имеющем аналогов в мире.
Премия имени Ю. И. Островского присуждается ежегодно с 1997 г. за лучшие научные работы в области голографии и интерферометрии, выполненные на территории России и стран СНГ и опубликованные в отечественных и зарубежных журналах. В 2025 г. премией был награжден коллектив, состоящий из физиков ИЯФ СО РАН, Самарского университета и ИОФ РАН, за цикл работ «Исследования вихревых бесселевых пучков терагерцевого излучения, сформированных дифракционными оптическими элементами, для задач телекоммуникации».
Новосибирский лазер на свободных электронах – источник мощного терегерцевого и инфракрасного излучения, аналогов которого нет не только в России, но и в мире. По средней мощности в несколько раз превышает другие существующие в мире источники, что позволяет проводить уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн (от 8 до 403 микрометров), в том числе направленные на развитие базы для перехода на терагерцевый диапазон в области телекоммуникаций.
Дифракционный оптический элемент, с помощью которого формируются бесселевы пучки. Фото Е. Койновой.
«Бесселевы пучки – это оптические вихри, пучки электромагнитного излучения, которые в нашей работе формируются с помощью дифракционных оптических элементов, преобразующих излучение НЛСЭ, – рассказала младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Наталья Осинцева. – Названы они так, потому что их поперечное распределение интенсивности описывается функцией Бесселя. Получение бесселевых пучков и изучение их свойств – это перспективный раздел физической оптики. Дело в том, что в будущем такие вихревые пучки смогут применяться как для проводной, так и беспроводной телекоммуникации в терагерцевом диапазоне. То есть с их помощью мы можем развивать то самое поколение мобильной связи 6G, которое сейчас у всех на слуху. “Терагерцы” более перспективны, чем радиодиапазон, благодаря более высоким частотам, а если терагерцевое излучение сформировать в виде бесселевых пучков, то преимуществ становится больше. Дело в том, что такие пучки обладают свойством самовосстановления: сталкиваясь с препятствием (неоднородной средой), пучок разрушается, но потом восстанавливает свое поперечное амплитудно-фазовое распределение (хотя и с потерями части первоначальной энергии), таким образом у пучков сохраняется возможность быть зарегистрированными. Более того, оптические вихри можно мультиплексировать. То есть на одной частоте в одном пространственном канале можно передавать множество пучков (мод) с уникальным поперечным распределением, вплоть до сотен и более, каждый из которых несет свой сигнал. Это значительно увеличивает скорость передачи и объем передаваемых данных».
Вихревыми пучками активно занимаются во всем мире, пучки Бесселя научились получать практически во всех диапазонах длин волн: в видимом, инфракрасном, рентгеновском. Но область терагерцевого излучения изучена мало по той простой причине, что, если оборудование (источники излучения, детекторы, оптика) для видимого и радиодиапазона давно существует и хорошо отработано, то с терагерцевым диапазоном все намного сложнее. Исключением является Новосибирский лазер на свободных электронах – источник терагерцевого и инфракрасного излучения, средняя мощность которого значительно превышает мощность других существующих в мире источников. Он позволяет проводить уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн терагерцевого диапазона. Специалисты ИЯФ СО РАН занимаются получением вихревых пучков Бесселя и изучением их свойств с 2013 г.
Основатель направления по изучению бесселевых пучков в ИЯФ СО РАН Б.А. Князев с учениками М.С.Митьковым и Ю.Ю. Чопоровой. 2013 г. Фото предоставлено Н. Осинцевой.
«ЛСЭ – это очень мощный перестраиваемый источник терагерцевого квазинепрерывного излучения с рабочими длинами волн от 8 до 403 микрометров, – добавила Наталья Осинцева. – Именно благодаря его мощности, в среднем 400 Вт, нам несложно формировать вихревые бесселевы пучки и работать с ними. Более того, благодаря этой мощности и имеющимся у нас детекторам, мы можем в реальном времени фиксировать пучки, как будто снимаем их на камеру телефона. Работая на слабых источниках, получить один кадр можно только при помощи поточечного двумерного сканирования – долго и сложно. Нам очень повезло».
Важную роль в этих исследованиях играют специальные дифракционные оптические элементы терагерцевого диапазона – без них было бы невозможно управлять поперечной структурой монохроматического излучения мощного лазера и, соответственно, формировать вихревые пучки. Созданием оптических элементов для постановки экспериментов в ИЯФ СО РАН на НЛСЭ с 2010 г. занимается кафедра наноинженерии Самарского университета. Исследования в области создания дифракционных оптических элементов для формирования пучков видимого и инфракрасного диапазонов с заданной поперечной структурой, в том числе вихревых пучков, проводятся в Самарском университете под руководством академика РАН В.А. Сойфера c 80-х годов прошлого века. Освоение терагерцевого диапазона стимулировало начало работ по переносу накопленного опыта в новый диапазон.
«Интерес к исследованиям терагерцевых вихревых пучков связан с перспективами использования их замечательных свойств в создании терагерцевых многоканальных телекоммуникационных систем и систем дистанционного зондирования, – прокомментировал заведующий кафедрой наноинженерии Самарского университета доктор физико-математических наук Владимир Павельев. – В рамках проведения совместных работ с ИЯФ СО РАН с помощью технологий микролитографии мы производили кремниевые дифракционные оптические элементы терагерцевого диапазона, предназначенные для формирования пучков с заданным поперечным амплитудно-фазовым распределением, в частности, вихревых. И здесь хочется отметить большой вклад наших технологов К.Н. Тукмакова и А.С. Решетникова. Что касается специфики дифракционной оптики терагерцевого диапазона – большая длина волны излучения позволяет изготавливать субволновые структуры, которые трудно, если вообще возможно, реализовать для видимого или инфракрасного диапазона. В итоге мы изготавливали, скажем, метаповерхности для формирования бесселевых пучков с заданным поперечным поляризационным состоянием, что расширяет возможности для решения задач телекоммуникаций».
Младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Наталья Осинцева. Фото Е. Койновой.
По словам Натальи Осинцевой, пока что бесселевы пучки рассматриваются как потенциальный инструмент для использования терагерцевого излучения в телекоммуникациях. «Когда наступит та физика будущего, о которой я мечтаю, и мы сможем передавать с помощью них информацию, освоим этот пресловутый 6G, я не знаю. Это зависит от множества факторов, в том числе от того, когда будут созданы компактные и мощные источники терагерцевого излучения, ведь, к сожалению, наш ЛСЭ засунуть в маленькую коробочку не получится. Лично мне очень хочется шагнуть в прикладную сторону своего исследования и передать информацию с помощью этих пучков дальше, чем на длину коридора нашего корпуса», – добавила она.
Премия имени Ю. И. Островского присуждается ежегодно с 1997 г. за лучшие научные работы в области голографии и интерферометрии, выполненные на территории России и стран СНГ и опубликованные в отечественных и зарубежных журналах. В 2025 г. премией был награжден коллектив, состоящий из физиков ИЯФ СО РАН, Самарского университета и ИОФ РАН, за цикл работ «Исследования вихревых бесселевых пучков терагерцевого излучения, сформированных дифракционными оптическими элементами, для задач телекоммуникации».
Новосибирский лазер на свободных электронах – источник мощного терегерцевого и инфракрасного излучения, аналогов которого нет не только в России, но и в мире. По средней мощности в несколько раз превышает другие существующие в мире источники, что позволяет проводить уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн (от 8 до 403 микрометров), в том числе направленные на развитие базы для перехода на терагерцевый диапазон в области телекоммуникаций.
«Бесселевы пучки – это оптические вихри, пучки электромагнитного излучения, которые в нашей работе формируются с помощью дифракционных оптических элементов, преобразующих излучение НЛСЭ, – рассказала младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Наталья Осинцева. – Названы они так, потому что их поперечное распределение интенсивности описывается функцией Бесселя. Получение бесселевых пучков и изучение их свойств – это перспективный раздел физической оптики. Дело в том, что в будущем такие вихревые пучки смогут применяться как для проводной, так и беспроводной телекоммуникации в терагерцевом диапазоне. То есть с их помощью мы можем развивать то самое поколение мобильной связи 6G, которое сейчас у всех на слуху. “Терагерцы” более перспективны, чем радиодиапазон, благодаря более высоким частотам, а если терагерцевое излучение сформировать в виде бесселевых пучков, то преимуществ становится больше. Дело в том, что такие пучки обладают свойством самовосстановления: сталкиваясь с препятствием (неоднородной средой), пучок разрушается, но потом восстанавливает свое поперечное амплитудно-фазовое распределение (хотя и с потерями части первоначальной энергии), таким образом у пучков сохраняется возможность быть зарегистрированными. Более того, оптические вихри можно мультиплексировать. То есть на одной частоте в одном пространственном канале можно передавать множество пучков (мод) с уникальным поперечным распределением, вплоть до сотен и более, каждый из которых несет свой сигнал. Это значительно увеличивает скорость передачи и объем передаваемых данных».
Экспериментально полученный вихревой бесселев пучок. Фото предоставлено Н. Осинцевой.
Вихревыми пучками активно занимаются во всем мире, пучки Бесселя научились получать практически во всех диапазонах длин волн: в видимом, инфракрасном, рентгеновском. Но область терагерцевого излучения изучена мало по той простой причине, что, если оборудование (источники излучения, детекторы, оптика) для видимого и радиодиапазона давно существует и хорошо отработано, то с терагерцевым диапазоном все намного сложнее. Исключением является Новосибирский лазер на свободных электронах – источник терагерцевого и инфракрасного излучения, средняя мощность которого значительно превышает мощность других существующих в мире источников. Он позволяет проводить уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн терагерцевого диапазона. Специалисты ИЯФ СО РАН занимаются получением вихревых пучков Бесселя и изучением их свойств с 2013 г.
«ЛСЭ – это очень мощный перестраиваемый источник терагерцевого квазинепрерывного излучения с рабочими длинами волн от 8 до 403 микрометров, – добавила Наталья Осинцева. – Именно благодаря его мощности, в среднем 400 Вт, нам несложно формировать вихревые бесселевы пучки и работать с ними. Более того, благодаря этой мощности и имеющимся у нас детекторам, мы можем в реальном времени фиксировать пучки, как будто снимаем их на камеру телефона. Работая на слабых источниках, получить один кадр можно только при помощи поточечного двумерного сканирования – долго и сложно. Нам очень повезло».
Важную роль в этих исследованиях играют специальные дифракционные оптические элементы терагерцевого диапазона – без них было бы невозможно управлять поперечной структурой монохроматического излучения мощного лазера и, соответственно, формировать вихревые пучки. Созданием оптических элементов для постановки экспериментов в ИЯФ СО РАН на НЛСЭ с 2010 г. занимается кафедра наноинженерии Самарского университета. Исследования в области создания дифракционных оптических элементов для формирования пучков видимого и инфракрасного диапазонов с заданной поперечной структурой, в том числе вихревых пучков, проводятся в Самарском университете под руководством академика РАН В.А. Сойфера c 80-х годов прошлого века. Освоение терагерцевого диапазона стимулировало начало работ по переносу накопленного опыта в новый диапазон.
«Интерес к исследованиям терагерцевых вихревых пучков связан с перспективами использования их замечательных свойств в создании терагерцевых многоканальных телекоммуникационных систем и систем дистанционного зондирования, – прокомментировал заведующий кафедрой наноинженерии Самарского университета доктор физико-математических наук Владимир Павельев. – В рамках проведения совместных работ с ИЯФ СО РАН с помощью технологий микролитографии мы производили кремниевые дифракционные оптические элементы терагерцевого диапазона, предназначенные для формирования пучков с заданным поперечным амплитудно-фазовым распределением, в частности, вихревых. И здесь хочется отметить большой вклад наших технологов К.Н. Тукмакова и А.С. Решетникова. Что касается специфики дифракционной оптики терагерцевого диапазона – большая длина волны излучения позволяет изготавливать субволновые структуры, которые трудно, если вообще возможно, реализовать для видимого или инфракрасного диапазона. В итоге мы изготавливали, скажем, метаповерхности для формирования бесселевых пучков с заданным поперечным поляризационным состоянием, что расширяет возможности для решения задач телекоммуникаций».
По словам Натальи Осинцевой, пока что бесселевы пучки рассматриваются как потенциальный инструмент для использования терагерцевого излучения в телекоммуникациях. «Когда наступит та физика будущего, о которой я мечтаю, и мы сможем передавать с помощью них информацию, освоим этот пресловутый 6G, я не знаю. Это зависит от множества факторов, в том числе от того, когда будут созданы компактные и мощные источники терагерцевого излучения, ведь, к сожалению, наш ЛСЭ засунуть в маленькую коробочку не получится. Лично мне очень хочется шагнуть в прикладную сторону своего исследования и передать информацию с помощью этих пучков дальше, чем на длину коридора нашего корпуса», – добавила она.