Ученые предлагают способ увеличить эффективность излучателей терагерцевых волн

Российские ученые разработали излучатели, которые эффективно преобразуют лазерное излучение в терагерцевые электромагнитные волны очень широкого диапазона частот. Излучатели не требуют мощного лазерного излучения для работы. Предложенный подход может использоваться для создания компактных ТГц-источников с высокой интенсивностью излучения. Подобные приборы помогут улучшить качество изображений в сканерах багажа или биомедицинских томографах, а также детектировать вредные вещества в воздухе. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Терагерцевое излучение (ТГц) представляет собой электромагнитные волны, диапазон частот которых лежит между радио- и инфракрасным спектром. Оно хорошо проходит через многие материалы, например пластик, дерево и керамику, поэтому его используют, в частности, для сканирования багажа. Кроме того, широко развивается направление медицинской томографии для «просвечивания» человеческих тканей с использованием волн такого же диапазона. В отличие от рентгеновских, ТГц-лучи безвредны, поскольку не обладают ионизирующими свойствами. Для генерации волн в ТГц-диапазоне ученые используют преобразование лазерных лучей, но этот процесс обладает низкой эффективностью и поэтому требует очень мощных и дорогостоящих лазерных систем.

Группа исследователей из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород), Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В. Г. Мокерова РАН (Москва) и Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана (Москва) разработала источник ТГц-излучения, который преобразует импульсное лазерное излучение в терагерцевое с высокой эффективностью. Такое преобразование происходит благодаря эффекту Дембера — явлению, когда в полупроводнике, на который действуют ультракороткие лазерные импульсы, возникает импульсное (то появляющееся, то исчезающее) электрическое поле.

Конструкцию ТГц-источника полностью изготовили физики из ИСВЧПЭ РАН. Для этого они сконструировали полупроводниковую структуру на основе тройного твердого раствора из индия (In), галлия (Ga) и мышьяка (As). Ее рост происходил слой за слоем в условиях сверхвысокого вакуума. Сверху на полупроводник нанесли ассиметричную металлическую решетку, которая пропускала через себя лазерное излучение. При этом решетка имела большую площадь (1,5 квадратного сантиметра) в сравнении с другими аналогичными излучателями, размер которых составляет около одного квадратного миллиметра.

Затем физики из ИПФ РАН измерили характеристики разработанного ТГц-источника и определили, что он с высокой эффективностью излучает электромагнитные волны в широком диапазоне частот (до 6 ТГц — частоты, примерно в 2,5 тыс. раз больше излучения микроволновых печей). В последующих экспериментах зарубежные коллеги из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (Дрезден) определили, что прибор не теряет эффективности при увеличении частоты лазерных импульсов, то есть при росте мощности ТГц-излучения. Кроме того, разработанный излучатель позволяет получать терагерцевые волны при относительно низкой мощности падающего на него лазерного излучения. Все это крайне важно для создания недорогих и компактных устройств с ТГц-источниками.

«Наш подход открывает новые возможности для разработки систем обнаружения вредных веществ в воздухе, контроля качества медикаментов и диагностирования заболеваний. Важно отметить, что наш источник терагерцевых волн не нуждается в приложении внешних электрических полей, то есть не требует источника питания, так как свойства материала, из которого он состоит, сами по себе позволяют создавать электрическое поле. Это должно увеличить срок службы такого источника, что будет важным конкурентным преимуществом»,— рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Рустам Хабибуллин, ведущий научный сотрудник ИСВЧПЭ РАН и МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Использованы материалы статьи Efficient optical-to-terahertz conversion in large-area InGaAs photo-Dember emitters with increased indium content; I. E. Ilyakov, B. V. Shishkin, V. L. Malevich, D. S. Ponomarev, R. R. Galiev, A. Yu. Pavlov, A. E. Yachmenev, S. P. Kovalev, M. Chen, R. A. Akhmedzhanov, R. A. Khabibullin; журнал Optics Letters, июль 2021 г.