Сотрудники МГТУ имени Н.Э. Баумана совместно с ИФТТ РАН разработали и изготовили терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы на основе кристаллов сапфира. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), результаты опубликованы в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.

Терагерцовое излучение — это электромагнитное излучение, частоты которого лежат в диапазоне 0,1–10 ТГц, занимая промежуточное положение на шкале электромагнитных волн между радиоволнами и инфракрасным излучением. Терагерцовые технологии интенсивно развиваются и находят применение в контроле конструкционных материалов, качества фармацевтической продукции, ранней неинвазивной, малоинвазивной и интраоперационной медицинской диагностики. Внедрение терагерцовых методов контроля и диагностики существенно осложнялось отсутствием терагерцовых волноводов и эндоскопических систем.

Проблема создания терагерцовых волноводов связана с отсутствием подходящих технологий и материалов для их производства. Волноводы на основе стекол и полимерных сред, широко применяемые для передачи видимого света, не могут использоваться в терагерцовой области спектра по причине сильного поглощения терагерцовых волн этими материалами.

Сапфировые терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы (а) — фото первого сапфирового фотонно-кристаллического волновода, (б) — фото структурированного сечения волновода, (с) — фото фотонно-кристаллических волноводов с более сложным профилем сечения. Станислав Юрченко и Кирилл Зайцев

«В обычных волноводах используется явление полного внутреннего отражения: свет, падающий под малым углом падения, не может покинуть оптически более плотную среду (волновод) и поэтому постоянно движется вдоль волновода, — пояснил руководитель лаборатории «Терагерцовая оптотехника» МГТУ имени Н.Э. Баумана, ведущий научный сотрудник Станислав Юрченко. — Фотонно-кристаллические волноводы имеют структурированное сечение, что приводит к кардинальной перестройке поля излучения внутри волновода и локализации света в центральной области волновода».

Коллектив лаборатории «Терагерцовая оптотехника» МГТУ имени Н.Э. Баумана в сотрудничестве с лабораторией профилированных кристаллов ИФТТ РАН впервые разработал и изготовил терагерцовые фотонно-кристаллические волноводы на основе профилированных кристаллов сапфира. Данные волноводы сочетают уникальные свойства сапфира (низкое поглощение терагерцового излучения, высокую механическую прочность, термическую стойкость и химическую инертность) с технологическими достоинствами метода роста профилированных кристаллов Степанова (высоким качеством кристаллических структур, высокой скоростью роста и низкой стоимостью) и позволяют в полной мере решить проблему передачи терагерцового излучения к объекту исследования.

«Результаты исследования распространения терагерцового импульсного излучения в данных профилированных кристаллах показали возможность их использования для передачи импульсного излучения в широком спектральном диапазоне от 1,0 до 1,55 ТГц с рекордно низкими потерями – до 2,0 дБ/м», – рассказали Станислав Юрченко и научный сотрудник лаборатории терагерцовых технологий Кирилл Зайцев.

Дальнейшие исследования коллектива физиков из МГТУ им. Н. Э. Баумана будут связаны с совершенствованием структуры профилированных кристаллов с целью расширения рабочего спектрального диапазона волновода и снижения потерь энергии излучения при передаче.