Российские ученые разработали
терагерцовый излучатель, используемый в системах спектроскопии. С одной
стороны, это часть элементной базы приборов, широко используемых в
исследованиях и в промышленности, которые необходимо импортозаместить. С
другой, предложенная разработка имеет более высокий КПД, чем у имеющихся на
рынке западных аналогов. Исследование проведено при поддержке
РНФ (грант 19-79-10240). Работа опубликована в
журнале Optics Letters.
При увеличении толщины решетки антенны
мощность получаемого на выходе излучения возрастает на 60 %. Источник:
пресс-служба МФТИ.
Спектрометр – прибор, широко используемый в самых
различных областях: от научных исследований, контроля качества на производстве,
экологии до пищевой промышленности, сельского хозяйства и археологии. В
большинстве своем до последнего времени эти приборы закупали за рубежом.
Сегодня перед российскими инженерами поставлена задача создания собственной
линейки приборов. Для ее решения ведущие вузы по инициативе МФТИ объединились в
консорциум по развитию отечественного научного приборостроения. Создание
элементной базы – важная часть этой работы.
Группа ученых из МФТИ, Института
сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В. Г. Мокерова РАН, МГТУ
им. Н. Э. Баумана и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН
разрабатывает оптоэлектронную составляющую для отечественного спектрометра с
уникальными характеристиками. Сам прибор состоит из излучателя, который
воздействует на исследуемый объект импульсом излучения определенной частоты, и
приемника, который регистрирует получаемый в результате спектр. Есть
традиционные подходы к созданию фотопроводящих терагерцовых излучателей.
Принцип работы у них следующий: излучатель очень короткими фемтосекундными
импульсами возбуждает электроны в полупроводнике, в результате возникает ток,
электроны текут к одному контакту, дырки – к другому. Этот ток является
генератором терагерцового излучения.
Дмитрий Пономарев,
заместитель директора ИСВЧПЭ РАН, старший научный сотрудник лаборатории
квантово-каскадных лазеров МФТИ, инициатор работы, поясняет: «Антенный
элемент расположен на полупроводнике. Под действием фемтосекундных импульсов
происходит генерация терагерцового излучения. Так работают традиционные
фотопроводящие терагерцовые излучатели. Но у них есть проблемы: низкая мощность
и низкая конверсия, или, можно сказать, КПД. Например, вы вкачиваете излучение
лазера в полупроводник. Вкачали 100 %, а на выходе у вас лишь 0,02 % перешло в
терагерцы. Мы стараемся с каждым нашим последующим исследованием эту конверсию
повышать».
Для увеличения конверсии ученые
использовали электроды антенны в форме решетки с субволновыми размерами. Считается,
что такая решетка должна быть планарной, то есть пленкой толщиной в пределах
100 нм. Авторы исследования предложили новую форму электродов. Сначала
численными методами показали, что высота или толщина металлизации решетки
серьезно влияют на излучаемые характеристики. Затем сделали элемент с толщиной
электродов 170 нм. Мощность значительно возросла.
Дмитрий Пономарев рассказывает:
«Мы сделали толщину электродов 170 нм. Это поменяло принципиально всю физику
работы. Мы показали, что возникает очень интересный эффект. Когда излучение
попадает в тонкие щели между металлическими полосками, то эти щели служат
волноводами для излучения накачки. Возбуждаются более высокие моды плазменных
колебаний, которые приводят к сильному перераспределению энергии в
полупроводнике. А это ведет к тому, что большее количество электронов
высвобождается. Соответственно, увеличивается ток и увеличивается излучаемая
мощность».
Учеными разработана геометрия решетки с
учетом максимального пропускания падающего оптического света и определены
оптимальные параметры конструкции решетки. Изготовленный плазмонный излучатель
эффективно работает с маломощным лазерным возбуждением. Данная разработка будет
востребована в современных терагерцовых спектроскопических и высокоскоростных
приложениях визуализации.
Источник: научно-информационный портал «Поиск»,
пресс-служба Российского научного фонда.