Новая технология в 50 раз увеличила мощность излучателей терагерцовых волн

Физики усовершенствовали излучатели терагерцовых волн за счет комбинации встречно-штыревых электродов, по форме напоминающих миниатюрную расческу, и фотопроводящей подложки на основе соединений галлия и индия с мышьяком. Такое сочетание позволило устройству эффективнее преобразовывать энергию лазера в терагерцовое излучение, благодаря чему мощность устройства увеличилась в 50 раз. Терагерцовые волны безопасны для человека, а также хорошо проникают сквозь живые ткани и многие природные и искусственные материалы, благодаря чему генерирующие их устройства могут использоваться в медицине, для сканирования багажа и экологического мониторинга. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.

Электромагнитное излучение, находящееся в диапазоне между инфракрасным и микроволновым, называют терагерцовым. Долгое время источники и приемники этого «промежуточного» диапазона частот были недостаточно эффективными. Однако за последние двадцать лет ученые создали ряд излучателей и детекторов специально для терагерцового излучения, поскольку его можно использовать в медицине, экологическом мониторинге, системах сканирования багажа, а также материаловедении. Так, например, на сегодняшний день тестируются «просвечивающие» медицинские приборы на основе терагерцового излучения: устройства для диагностики рака кожи, отслеживания состояния тканей после ожогов и выявления зубного кариеса. Терагерцовые волны абсолютно безопасны для человека, поэтому устройства, их излучающие, потенциально смогут заменить рентгеновские аппараты, ионизирующее излучение которых способно привести к повреждению ДНК и, следовательно, мутациям.

Ученые из Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН (Москва), Института общей физики РАН (Москва), Бирмингемского университета (Великобритания), Университета ИТМО (Санкт-Петербург), МГТУ имени Н.Э. Баумана (Москва), Московского физико-технического института (Долгопрудный), а также Астонского Университета (Великобритания) разработали устройство, которое эффективнее, чем существующие аналоги, генерирует импульсное терагерцовое излучение широкого спектра частот посредством фотопроводящей антенны. Принцип действия антенны основан на том, что воздействие лазерного излучения на ее полупроводниковую подложку одновременно с приложением внешнего напряжения приводит к генерации терагерцового импульса.

Чтобы для генерации терагерцового излучения было достаточно лазерных импульсов малой мощности, ученые улучшили фотопроводящую антенну, присоединив к ее контактам симметричные золотые встречно-штыревые электроды, по форме напоминающие расческу с очень тонкими и часто расположенными (на расстоянии порядка нескольких сотен нанометров) элементами, называемыми пальцами. Такая форма электродов позволяет значительно увеличить запасенную в излучателе энергию за счет увеличения его емкости. Кроме того, авторы разместили антенну на подложке из соединений индия и галлия с мышьяком (InAs/GaAs), которые выполняли роль квантовых точек — структур, участвующих в переносе электрического заряда на встречно-штыревые электроды.

Физики сравнили мощность улучшенного излучателя с исходным — не содержащим встречно-штыревых электродов, но использующим аналогичную фотопроводящую подложку. Для этого оба устройства возбуждали ультракороткими лазерными импульсами, а терагерцовое излучение регистрировали приемником на основе фотопроводящей антенны. Оказалось, что совместное использование квантово-точечных структур и встречно-штыревых электродов позволило увеличить мощность излучения антенны в 50 раз.

«Предложенная нами технология позволит сделать источники терагерцовых волн доступнее для практических применений в медицине и технике, поскольку она легко масштабируема для производства. Более того, данная разработка не требует сверхмощных дорогих лазеров для генерации терагерцовых волн, что также будет существенным преимуществом. В дальнейшем мы продолжим разработку новых источников широкополосного импульсного терагерцового излучения с еще более усовершенствованными характеристиками», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Пономарев, кандидат физико-математических наук, заместитель директора по научной работе ИСВЧПЭ РАН, ведущий научный сотрудник ИОФ РАН.