Терагерцевый лазер научили работать вне лаборатории

Ученые разработали лазер, излучающий в терагерцевом диапазоне и работающий без криогенного охладителя, что позволяет впервые использовать его вне лаборатории. Рабочую температуру лазера, равную -23 градусам Цельсия, можно поддерживать обычным недорогим кулером. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.

Спектр частот терагерцевого излучения расположен между инфракрасным и СВЧ-диапазоном. Самые современные приборы, излучающие в этом диапазоне — это квантово-каскадные твердотельные лазеры на основе полупроводников из арсенида галлия, легированного арсенидом алюминия-галлия.

Излучение в квантово-каскадных лазерах основано на внутризонных переходах, а способствуют ему многочисленные дискретные уровни энергии, возникающие из-за особенностей квантовой гетероструктуры, которая за счет малого размера (меньше 200 ангстрем на один слой) буквально ограничивает движение носителей зарядов.

Поскольку излучение квантово-каскадных лазеров — униполярное, то структура представляет собой повторяющиеся чередующиеся слои полупроводников, граница раздела которых — это некий барьер. Электрон, проходя от одной активной зоны к другой через эти барьеры, отдает энергию в виде излучения.

Применить терагерцевые лазеры во всех областях науки, где они требуются, невозможно. Одно из самых существенных препятствий — низкая рабочая температура (около 200 кельвин), которую легко достичь только при наличии лабораторного оборудования. Напротив, большинство задач для применения терагерцевого излучения требует портативности излучателей. Для успешного решения этих задач нужно заставить работать лазер при комнатной температуре или при помощи портативных кулеров.

Проблема отчасти кроется в утечке носителей заряда из-за туннельного эффекта, когда электроны с энергией меньше ширины запрещенной зоны «убегают» из изолированной области прибора. С ростом температуры утечка увеличивается, а эффективность лазера падает. В предыдущих работах исследователи выяснили, что утечка при увеличении температуры особенно активно происходит в области барьера, между различными слоями гетероструктуры.

Али Халатпур (Ali Khalatpour) из Массачусетского технологического института с коллегами спроектировали квантово-каскадный твердотельный лазер, излучающий волны частотой четыре терагерца и работающий при максимально возможной температуре 250 кельвин. Температуры 250 кельвин или −23 градуса Цельсия можно достичь, используя недорогой портативный кулер. Предыдущий рекорд температуры составлял 210 кельвин.

Лазер состоит из чередующихся слоев арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия, как и его предшественники, однако ученые компенсировали утечку носителей заряда, повысив ширину запрещенной зоны барьера за счет увеличения содержания алюминия в легирующей примеси арсенида алюминия-галлия с 15 до 30 процентов. 

Исследователи протестировали четыре структуры с различной толщиной слоев, чтобы добиться оптимального соотношения низкой утечки и высокой силы инжекции носителей заряда через барьер. Слои выращивали методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Ученые заключили, что от качества ее проведения также зависит эффективность будущего прибора, но как именно — не уточняется.

Терагерцевое излучение можно использовать для изучения биоактивности химических соединений, для спектрального анализа атмосферы планет в астрофизике, а также, например, для нахождения взрывчатых веществ (C-4, TNT), которые специфически отображаются при таком облучении. Данные, полученные учеными, позволят использовать лазер в портативных приборах вне лаборатории и делают возможным быстрый спектральный анализ в реальном времени.

Портативность лазеров играет ключевую роль в современных приложениях, например, американцы планируют использовать лазерную установку мощностью три киловатта на базе бронемашины для расчистки минных полей.

Роман Колесов