Терагерцевый лазер впервые выстрелил узким пучком

Участники исследования, слева направо: Михаил Кац (Mikhail A. Kats), Федерико Капассо (Federico Capasso) и Нанфан Юй (Nanfang Yu) (фото Eliza Grinnell/Harvard School of Engineering and Applied Sciences).

Лазеры ближнего инфракрасного диапазона разработаны для обнаружения запрещённых к перевозке веществ и предметов в грузах, поиска дефектов в деталях и наблюдения раковых опухолей. Терагерцевые волны свободно проникают сквозь ткань, пластик, бумагу и многие другие типы материалов. Но до сих пор успешной работе устройств мешала одна деталь.

Современные образцы таких излучателей не слишком хорошо справляются с задачами, ради которых они конструировались, а причина — чисто техническая. У существующих полупроводниковых лазеров Т-диапазона излучение распространяется почти так же, как свет от обычной лампочки, то есть с высоким показателем расходимости пучка (beam divergence).

Такое положение дел решила исправить команда учёных из Гарварда (Harvard University) и университета Лидса (University of Leeds), впервые задумав и воплотив в жизнь терагерцевый лазер со сниженной расходимостью пучка, почти точечного действия по сравнению с его предшественниками.

«Идея была в том, чтобы создать искусственные оптические структуры на излучающей грани лазера и заставить его генерировать сильно коллимированные (тесно увязанные) лучи. Уже сейчас можно с уверенностью сказать, что в будущем эта технология позволит нам избавиться от необходимости устанавливать дорогие и громоздкие линзы», – уверен лидер группы исследователей Федерико Капассо.

Имитация распределения электрического поля устройства. Плоскость рисунка перпендикулярна лицевой грани лазера и расположена вдоль оси симметрии лазерного волновода. Масштабная линейка 200 микрометров (иллюстрация Yu et al./Nature Materials).

Как сообщают авторы в пресс-релизе университета Лидса, задавшись целью обойти проблему расхождения пучка, они стали экспериментировать с квантовым каскадным лазером (QCL).

Излучение QCL охватывает ИК-область спектра – как раз то, что требовалось учёным. Важнейшая особенность устройства в  его сердцевине. Она состоит не из сплошного полупроводника, а из периодической структуры — множества тонких слоёв.

Последние формируют так называемую сверхрешётку, или одномерную квантовую яму, которая разделяет полосу разрешённых зон энергий на крошечные подзоны. На практике это означает, что электроны рекомбинируют каскадом, в несколько небольших шагов, а не единым скачком, как в случае других лазеров. Такой подход приводит к куда меньшим энергетическим затратам в случае терагерцевого диапазона волн.

Отметим, что саму идею модификации QCL для подобных целей ещё в прошлом году озвучивали инженеры Массачусетского технологического института, опубликовавшие статью (PDF-документ) в Nature Photonics.

Авторы новой работы выяснили, что для уменьшения расходимости пучка нужно выгравировать на полупроводниковой поверхности (сильнолегированном арсениде галлия) массив микроскопических бороздок различной глубины.

Слева – схема расположения углублений на полупроводниковой поверхности лазера. Цветом отмечена глубина разных групп бороздок. Справа – фото самого устройства, масштабная шкала 100 микрометров (иллюстрация Yu et al./Nature Materials).

Модифицированный таким образом вариант лазера физикам удалось заставить работать на частоте в 3 терагерца при длине волны в 100 микрометров – в оптическом спектре подобные лучи увидеть нельзя.

Структура с бороздками своеобразно «подпирает лазер» (на рисунке выше видна апертура лазера на вершине аппарата). Как и задумывалось, она играет роль коллиматора: расходимость пучка оказалась снижена почти до 10 градусов.

По словам авторов, чья статья опубликована в Nature Materials, ключевым фактором для их успеха было использование принципа метаматериалов. Применение последних в полупроводниковых приборах пока очень ограничено (недавно, кстати, метаматериал впервые наделили активностью).

Измеренное (слева) и смоделированное поле излучения устройства. Дополнительную информацию о его работе можно узнать из пресс-релиза Гарварда (иллюстрация Yu et al./Nature Materials).

«В нашем случае метаматериал выполняет сразу двойную функцию – коллиматорную и ограничивающую терагерцевые волны на выходе из устройства, – объясняет один из создателей нового лазера Нанфан Юй. – Это свойство метаматериалов может быть в будущем эффективно применено для прикладного зондирования и оптических схем, где задействован терагерцевый диапазон».



Физики расширили дальность действия всевидящих волн

16 июля 2010

Создан лазерный генератор отсутствия света

15 июня 2010

Успешно испытан лазерный детектор взрывчатки

10 июня 2010

Терагерцевую линзу научили менять индекс преломления

13 мая 2010

Физики обратили лазер во времени

29 марта 2010