Терагерцовый лазер впервые не потребовал криогенного охлаждения

Физики добились генерации излучения терагерцового диапазона в квантово-каскадном лазере при температуре в 210,5 кельвин (-62,65 градусов Цельсия). Это рекордно высокая температура для генерации когерентных электромагнитных волн в данном диапазоне твердотельным прибором. Охлаждение в данном случае производилось не посредством вскипания криогенных жидкостей, а при помощи эффекта Пельтье, пишут ученые в журнале Applied Physics Letters.

Излучение терагерцового диапазона, которое занимает промежуточное положение между инфракрасными и радиоволнами, интересно для ряда как фундаментальных в физике и астрономии, так и прикладных направлений. В частности, многие материалы, такие как текстиль, пластик и биологические ткани, прозрачны для терагерцовых волн, благодаря чему их можно использовать для обеспечения безопасности или неинвазивного изучения, не наносящего урона образцу.

Сегодня технологии генерации, преобразования и регистрации терагерцового излучения отстают от соседних диапазонов, а сложившаяся ситуация получила название «терагерцового провала» (THz gap). Наличие этого затруднения связано с тем, что частоты колебаний этих волн слишком высоки для эффективного использования генераторов на основе осцилляций, но слишком низки для применения генераторов на основе потока фотонов.

Одним из перспективных источников мощного терагерцового излучения является квантово-каскадный лазер (ККЛ) — разновидность полупроводникового генератора когерентных волн, впервые реализованного в 1994 году. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, в которых фотоны возникают при рекомбинации электронов и дырок в запрещенной зоне, в ККЛ происходят межподзонные переходы, связанные со специфической слоистой гетероструктурой активной среды.

Ученые уже раньше добивались как непрерывного, так и импульсного режима работы излучающих терагерцовые волны ККЛ, причем как в случае генерации отдельной моды, так и для широкополосных устройств. Однако во всех этих случаях были использованы устройства, которые необходимо охлаждать до криогенных температур ниже 200 кельвинов, что значительно ограничивает потенциал применения.

В работе коллектива физиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и шведского Лундского университета под руководством Лоренцо Боско (Lorenzo Bosco) впервые представлен генерирующий терагерцовое излучение квантово-каскадный лазер, работающих вплоть до температуры в 210 кельвин. Представленное устройство не только функционирует при рекордной температуре, но и, что более важно, не нуждается в активном криогенном охлаждении, так как рабочий режим можно поддерживать за счет термоэлектрических охладителей на эффекте Пельтье, которые намного дешевле, компактнее и проще в использовании.

Достижение стало возможным благодаря двум связанным идеям. Во-первых, физики использовали наиболее простую возможную структуру из двух квантовых ям — настолько резких изменений потенциала электронов внутри активного вещества, что ширина ямы начинает играть роль наряду с ее глубиной. Было известно, что такой дизайн способствует повышению температуры, но также крайне чувствителен к неоднородностям полупроводниковой структуры. Авторам удалось при помощи компьютерных симуляций найти оптимальный вариант реализации.

Во-вторых, исследователи применили особый метод моделирования, основанный на неравновесных функциях Грина, которые используются в рамках формализма Келдыша — общего подхода к задаче эволюции неравновесной системы в квантовой механике. Данный способ требователен к компьютерным ресурсам, но позволяет получить достаточно точную для создания в реальности структуру. Авторы в одной из предыдущих работ доказали применимость этого подхода, а в новой также продемонстрировали возможность воплощения его результатов.

Также ученые отмечают, что с целью оптимизации сильно ограничили область пространства параметров, в которой искали глобальный экстремум свойств полупроводниковой структуры. Поэтому потенциал данного подхода не исчерпан и позволит в будущем еще больше улучшить показатели терагерцового лазера.

Ранее физики пробили алюминиевую фольгу терагерцовым импульсом, сгенерировали рекордно мощные импульсы такого излучения и зарегистрировали его у воды

Тимур Кешелава