Физики МФТИ сконструировали фотопроводящую антенну большой площади — прибор, преобразующий свет лазера в терагерцевое (ТГц)-излучение, — эффективность которой в 8,5 раз выше аналогов. Авторы добились этого благодаря сапфировым микролинзам, которые направляли лазерные лучи четко на рабочий материал устройства. Предложенная технология позволит генерировать интенсивные ТГц-волны высокой мощности, которые могут использоваться в медицине для обнаружения опухолей и других патологий живых тканей, в системах сканирования багажа, а также в археологии для исследования артефактов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Терагерцевое (ТГц) излучение — электромагнитные волны длиной от десятков микрометров до миллиметра — считается перспективным инструментом для «просвечивания» самых разных объектов. С его помощью можно исследовать строение живых тканей, выявляя различные патологии, например раковые опухоли, просвечивать багаж в пунктах досмотра, а также сканировать археологические находки. Важное преимущество ТГц-излучения состоит в том, что оно абсолютно безопасно для человека, в отличие от рентгеновского, которое в высоких дозах может приводить к повреждению тканей и мутациям в ДНК. Поэтому в последние 30 лет ученые развивают источники ТГц-излучения. Одни из самых перспективных — фотопроводящие антенны. Это устройства, которые преобразуют лазерное излучение в волны ТГц-диапазона. Такие антенны работают при комнатной температуре и позволяют генерировать электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Однако эффективность преобразования света лазера в ТГц-излучение у них до сих пор недостаточно высока из-за того, что сложно локализовать большое количество носителей заряда в области электродов антенны. Из-за этого мощность существующих фотопроводящих антенн ограничена, так что ученые пытаются улучшить их характеристики.
Ранее группа российских исследователей теоретически описала подход, позволяющий повысить эффективность фотопроводящих антенн, добавив в их конструкцию сапфировые линзы, поскольку этот материал хорошо преломляет свет. Согласно предложенной идее, подобные линзы должны фокусировать лазерное излучение таким образом, что оно до 10 раз эффективнее улавливается прибором и в результате преобразуется в ТГц-излучение высокой мощности.
В своей новой работе авторы экспериментально проверили этот подход, сконструировав фотопроводящую антенну большой площади (размером в 0,1 квадратный миллиметр, что в 100 раз больше аналогов) с сапфировыми линзами. Ученые вырастили кристаллы сапфира в виде тонких волокон, после чего нанесли их на поверхность полупроводника — рабочего материала антенны, преобразующего свет в ТГц-излучение.
Схема фотопроводящей антенны большой площади с сапфировыми волокнами на ее поверхности. Источник: Applied Physics Letters
Затем они оценили эффективность полученного устройства, направив на него лазерный луч и измерив, какую мощность ТГц-излучения можно получить. Эксперимент показал, что мощность ТГц-волн, генерируемых новым прибором, в 8,5 раз превосходит показатели аналогичной антенны большой площади без сапфировых линз.
«Сконструированный нами излучатель большой площади можно легко интегрировать в современные установки для ТГц-визуализации, используемые, например, для сканирования живых тканей и различных материалов, а предложенный подход — использование сапфирового волокна в качестве эффективной микролинзы — позволит расширить применение ТГц-детекторов в медицинских устройствах, экологическом мониторинге и системах безопасности. В дальнейшем мы планируем проверить, можно ли еще увеличить эффективность ТГц-излучателей, если использовать лазеры повышенной мощности, а также оптимизировать топологию самого излучателя», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Пономарев, заместитель директора по научной работе ИСВЧПЭ РАН и старший научный сотрудник лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ.
В исследовании принимали участие сотрудники Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В. Г. Мокерова РАН, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Института физики твердого тела РАН, Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана, Московского физико-технического института и Университета Тохоку (Япония).
2
