Ученые разработали высокоэффективный источник терагерцового излучения
Почти в девять раз сумел с помощью сапфировых микролинз повысить мощность антенны терагерцевого излучения большой площади международный коллектив ученых, 3 апреля сообщает журнал МФТИ «За науку».
Физики из Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ) им. В. Г. Мокерова РАН, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Института физики твердого тела РАН, Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана, Московского физико-технического института (МФТИ) и Университета Тохоку (Япония) объединились для создания и исследования фотопроводящей антенны большой площади в качестве преобразователя света лазера в терагерцовое (ТГц) излучение.
Разработанное коллективом устройство обеспечивает увеличение эффективности преобразования в 8,5 раза по сравнению с существующими аналогами. Ученые добились такого результата благодаря сапфировым микролинзам, направляющим лазерные лучи точно на рабочий материал антенны.
Инновационная технология изготовления фотопроводящей антенны позволит генерировать интенсивные ТГц-волны высокой мощности для использования их свойств в медицине — для обнаружения опухолей и других патологий живых тканей, в системах сканирования багажа, а также в археологии — для исследования артефактов.
Результаты исследования новой антенны ее разработчики представили в статье «Усиленное терагерцовое излучение в фотопроводящей антенне большой площади благодаря массиву плотно упакованных сапфировых волокон», опубликованной в журнале Applied Physics Letters.
Терагерцевое электромагнитное излучение включает в себя волны длиной от десятков микрометров до миллиметра. Его считают перспективным для использования в качестве «просвечивающего» излучения при исследовании самых разных объектов — строения живых тканей, выявления различных патологий, в том числе раковых опухолей.
Кроме того, с его помощью можно просвечивать багаж в пунктах досмотра или же сканировать археологические находки. При этом, в отличие от рентгеновского, которое в больших дозах приводит к повреждению тканей и мутациям в ДНК, терагерцовое излучение абсолютно безопасно для человека.
В последние 30 лет ученые ищут наиболее эффективные источники ТГц-излучения. И одними из самых перспективных считаются фотопроводящие антенны, которые преобразуют лазерное излучение в волны ТГц-диапазона. К их достоинствам относится то, что они работают при комнатной температуре и в широком диапазоне частот.
Недостатком до последнего времени считалась довольно низкая эффективность преобразования света лазера в ТГц-излучение, вызванная тем, что создателям такой аппаратуры не удавалось сосредоточить большое количество носителей заряда в области электродов антенны.
Российские исследователи ранее описали теоретически, как можно повысить эффективность фотопроводящих антенн, добавив в их конструкцию сапфировые линзы, хорошо преломляющие свет. Согласно данным матмодели, такие линзы могут фокусировать лазерное излучение так, что оно до 10 раз эффективнее будет улавливаться прибором. А это, в свою очередь, обеспечит преобразование света в ТГц-излучение высокой мощности.
В ходе новой работы исследователи провели экспериментальную проверку предложенного подхода. Они сконструировали фотопроводящую антенну большой площади (0,1 кв. мм — это в 100 раз больше, чем у аналогов) с сапфировыми линзами.
Кристаллы сапфира были выращены в виде тонких волокон, после чего их нанесли на поверхность рабочего материала антенны — полупроводника, который выполняет преобразование света лазера в ТГц-излучение.
Эффективность нового устройства оценивалась по отношению измеренной мощности ТГц-излучения к мощности лазерного луча. Эксперимент показал, что ТГц-волны, генерируемые новым прибором, по мощности в 8,5 раза превосходят выходную мощность аналогичной антенны без сапфировых линз.
Руководитель проекта, заместитель директора по научной работе ИСВЧПЭ РАН и старший научный сотрудник лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ Дмитрий Пономарев отметил достоинства нового прибора:
«Сконструированный нами излучатель большой площади можно легко интегрировать в современные установки для ТГц-визуализации, используемые, например, для сканирования живых тканей и различных материалов, а предложенный подход — использование сапфирового волокна в качестве эффективной микролинзы — позволит расширить применение ТГц-детекторов в медицинских устройствах, экологическом мониторинге и системах безопасности».
Команда намерена продолжить исследования, чтобы определить, есть ли возможность дальнейшего увеличения эффективности ТГц-излучателей с помощью использования лазеров повышенной мощности и оптимизации топологии самого излучателя.
