Физики ИЯФ СО РАН получили российскую премию за цикл работ, посвященных освоению терагерцевого диапазона

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. Фото Е

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.

М.С. Митьков Князев Б.А. Чопорова Ю.Ю. 2013

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».

IMG 8044ДВА

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 с топологическим зарядом 2.

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.