Импульсные терагерцовые «гребенки» из микрочипа помогут в поиске взрывчатки

Активная среда квантово-каскадного лазера в представлении художника

Yan Liang/L2Molecule.com

Исследователи из Массачусетского Технологического Института разработали терагерцовый квантово-каскадный лазер размером с компьютерный чип. Первые тесты позволили получить спектры излучения с высоким соотношением сигнал/шум всего за 100 микросекунд, что, по словам авторов, позволит использовать источники в импульсном режиме. Поскольку терагерцовое излучение способно легко проникать сквозь препятствия, оно может использоваться для поиска, к примеру, спрятанной взрывчатки. Исследование опубликовано в журнале Optica, кратко о нем сообщает пресс-релиз MIT. 

Квантово-каскадные лазеры отличаются от традиционных полупроводниковых внутренним строением и принципом генерации излучения. Они состоят из большого количества тонких слоев полупроводников, формирующих периодичную гетероструктуру-«сандвич». Она создает для электрона некое подобие ступенчатой лестницы, перемещение вдоль которой требует, в частности, туннелирования. Из-за такой структуры за время движения один электрон может испустить несколько квантов света, поэтому квантово-каскадные лазеры могут обладать квантовой эффективностью больше 100 процентов.

В новой работе авторы использовали сразу два каскадных лазера на основе слоев арсенида галлия и арсенида галлия-алюминия для генерации излучения. Исследователям удалось подобрать параметры слоев в лазерах и самих лазеров таким образом, что спектр получаемого излучения состоял из отдельных пиков, расположенных с равным шагом в гигагерцовом диапазоне волн. При этом ученым удалось показать, что создавать такие «гребенки» можно в импульсном режиме. Это позволяет справиться с важной для терагерцовых лазеров проблемой охлаждения.

Ученые протестировали новый источник на эталонном образце арсенида галлия. Способность эталона поглощать терагерцовое излучение можно предсказать теоретически. Экспериментальные результаты оказались близки к предсказанным. 

По словам независимого эксперта, Джерарда Высоцки из университета Принстона, авторы впервые создали компактные терагерцовые источники способные создавать «гребенки». «Это прорывная работа. Подобные источники раньше не были доступны в терагерцовом диапазоне» — заключает ученый. Высоцки отмечает важность того, что новый прибор позволяет получать спектры высокого разрешения в импульсном режиме. «Это первый шаг к созданию терагерцовых химических сенсоров».

Ранее на получение терагерцовых спектров пропускания уходило порядка 15-30 минут. Это связано с тем, что исследование пропускания излучения с каждой конкретной длиной волны требовало «механической» перестройки прибора. Новый лазер может уменьшить это время на несколько порядков.

Терагерцовое излучение относится к длинам волн от 0,1 до 1 миллиметра. Оно легко проходит сквозь большинство диэлектриков, что позволяет использовать его для анализа образцов, прямого доступа к которым у исследователей нет. Кроме того, ранее физики из Калифорнийского технического института предложили применять источники терагерцовых «гребенок» для повышения точности радиотелескопов-интерферометров.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.