Группе физиков из Гарвардского и Техасского университетов и из института квантовой электроники в Цюрихе под руководством Федерико Капассо удалось создать терагерцевый лазер (генерирующий излучение с частотой около 5 ТГц), способный работать при комнатной температуре.

Результаты их работы были опубликованы в журнале Applied Physics Letters под названием Room temperature terahertz quantum cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation.

По мотивам названия статьи хочется сделать небольшое отступление, связанное с терминологией. Строго говоря, первый работающий лазер был создан в 1960 году Теодором Майманом. Этот лазер генерировал видимый (красный) свет, отсюда и расшифровка названия: laser — light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света с помощью индуцированного (вынужденного) излучения.

Однако первый шаг на пути реализации квантового генератора в оптической области электромагнитного излучения был сделан за несколько лет до этого, в 1953–54 годах, советскими физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым и независимо от них американцем Чарлзом Таунсом. Им удалось создать мазер — microwave amplification stimulated by emission of radiation — микроволновое усиление посредством индуцированного излучения. Если у Маймана излучение по длине волны λ было равно 694 нм, то в приборе Басова и Прохорова наблюдалось микроволновое излучение λ = 1,27 см. Поскольку из названия обсуждаемой статьи следует, что лазер работает в терагерцевом диапазоне, что на языке длины волны означает микроволновое излучение, то разумнее было бы говорить о мазере. Но так исторически сложилось, что лазером с тех пор называют любой квантовый генератор электромагнитного излучения. Поэтому в дальнейшем мы здесь будем придерживаться уже общепринятого термина «лазер».

Рис. 1. Слева: спектр излучения терагерцевого лазера при разных температурах, указанных на графиках. Справа: зависимость мощности излучения лазера от температуры; на вставке — фотография прибора с прикрепленными к нему кремниевыми линзами для усиления когерентности излучения. Рисунки из обсуждаемой статьи в Appl. Phys. Lett.

Чем же так важен, помимо фундаментального интереса, лазер, работающий в терагерцевом диапазоне? Терагерцевые (10¹² Гц) волны занимают на шкале электромагнитных волн положение между инфракрасным излучением и ультракороткими радиоволнами (УКВ).

Терагерцевые волны сочетают в себе свойства своих «соседей». Они, как радиоволны, обладают большой проникающей способностью, и в тоже время излучение этого диапазона легко фокусируется, подобно инфракрасному излучению. Фактически, получается альтернатива рентгеновским лучам (X-rays) — поэтому терагерцевое излучение часто называют T-rays. Более того, терагерцевые волны проникают в организм человека, не причиняя вреда, а возможность фокусировки позволяет намного повысить разрешающую способность медицинских приборов. А это, в свою очередь, может принципиально изменить диагностику многих заболеваний. Кроме того, помимо медицины, очень важное применение волны с терагерцевой частотой могут найти в разнообразных системах безопасности (рис. 2).

Рис. 2. Пример применения терагерцевого излучения в системах безопасности.

В основе любого лазера лежит резонатор с помещенной в него активной средой — кристаллом, раствором красителя или газом. С помощью внешних воздействий в виде света, электрического разряда и др. можно возбудить активную среду. Вся генерация излучения происходит в результате переходов между различными возбужденными состояниями молекул или атомов вещества активной среды (например, у Басова и Прохорова активной средой являлся аммиак, а у Маймана — кристалл рубина). Соответственно, и длина волны, генерируемая таким квантовым генератором, определяется шириной между энергетическими уровнями возбужденного и основного состояний в этих веществах.

Чтобы получить излучение терагерцевого диапазона, необходим достаточно малый энергетический зазор между уровнями энергии: ΔE = ħω, где ω ~ 10¹² Гц, ΔE = 0,001 эВ. В природе нет таких естественных квантовых систем, в которых ширина перехода составляла бы столь малую величину. Поэтому физики пошли на хитрость. Оказалось, что, изменяя толщину слоя материала, можно менять величину энергетической щели — тем самым появляется возможность генерировать излучение в требуемом частотном диапазоне. Если вырастить последовательность слоев материала с чуть различающейся толщиной, разделенных барьерами (слоями другого материала), то можно получить своеобразную «энергетическую» лестницу: определенные уровни энергии в соседних слоях образуют как бы ступеньки лестницы. При поглощении энергии электрон переходит на самый верхний уровень, а потом по этой лестнице (при переходе из одного слоя в другой) возвращается в основное состояние, на каждом шаге испуская фотон терагерцевого диапазона.

Впервые этот принцип для создания терагерцевого лазера был реализован группой ученых под руководством Федерико Капассо (Federico Capasso) (кстати, он является одним из авторов обсуждаемой статьи) в 1994 году и получил название квантово-каскадный режим. Однако 8 лет было посвящено устранению другой важной проблемы. Активная среда из многослойного кристалла, которая излучала терагерцевое излучение, его же и поглощала. В 2002 году Алессандро Тредикуччи (Alessandro Tredicucci) с коллегами решили эту проблему, внедрив в многослойный кристалл множество волноводов, которые выводят излучение «наружу». Им впервые удалось создать терагерцевый лазер, работающий на частоте 4,4 ТГц, используя в качестве активной среды многослойную структуру из GaAs/AlGaAs (арсенида галлия и арсенида галлия-алюминия). Мощность такого лазера составляла 2 милливатта.

Решив одну проблему, ученые столкнулись с другой — температурой. Дело в том, что энергия в миллиэлектронвольт, соответствующая терагерцевому диапазону, также приблизительно равна тепловой энергии движения атомов или молекул, находящихся при температуре порядка 100 К. Поэтому во избежание помех в виде теплового «шума» терагерцевый лазер должен работать при низких температурах. У Тредикуччи, например, излучение 4,4 ТГц наблюдалось при температурах не выше 50 К.

В связи с этим стоит сказать несколько слов о принципиально других схемах создания терагерцевых лазеров. Недавно был предложен альтернативный вариант построения терагерцевого лазера — с использованием «внутреннего» нестационарного эффекта Джозефсона в высокотемпературном сверхпроводнике (ВТСП) Bi₂Sr₂CaCu₂O₈. Известно, что по своей кристаллической структуре ВТСП представляют собой слоеную систему из сверхпроводящих слоев оксида меди, разделенных изолирующим слоем. Туннелирование куперовских пар через эти слои под действием приложенного постоянного напряжения сопровождается излучением в терагерцевом диапазоне. Интернациональной группе ученых под руководством Лутфи Озъюзера (Lutfi Ozyuzer) удалось синхронизировать это излучение. Таким образом они создали когерентный источник излучения — лазер — с частотой 0,85 ТГц и мощностью 0,5 микроватт, используя в качестве своего рода активной среды сверхпроводящее состояние Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ при температуре около 50 К.

Еще один альтернативный вариант создания квантовых генераторов терагерцевого излучения — лазер на свободных электронах. Суть его работы состоит в следующем: под действием электромагнитного поля пучок релятивистских электронов излучает синхротронное излучение, длина волны которого может управляться энергией электронов в пучке и напряженностью магнитного поля. В экспериментах мощность излучения достигала немалой для терагерцевых лазеров величины — 20 Вт.

В прошлом году в Nature появилась статья, где предлагалось использовать для генерации когерентного терагерцевого излучения взаимодействие релятивистских электронов с импульсным лазерным лучом в квазиоднородном (то есть слабо изменяющемся в пространстве) магнитном поле.

В начале 2008 года российские ученые Глявин, Лучинин и Голубятников в журнале Physical Review Letters опубликовали статью, где предложили использовать в качестве когерентного источника терагерцевого излучения гиротрон (Gyrotron). В магнитном поле 38,5 Тл они наблюдали генерацию импульсного излучения с периодом 50 мкс и частотой приблизительно 1 ТГц, мощность этого излучения составляла фантастически рекордное значение 1,5 кВт. В общем, как видно, вариантов создания терагерцевых лазеров хватает.

Так что же нового было предложено группой Капассо по сравнению с остальными вариантами терагерцевого лазера? Из названия их статьи следует, что ученым удалось добиться когерентного излучения терагерцевого диапазона при комнатной температуре. В лазерах с кристаллической активной средой, как это уже обсуждалось, температура — одна из главных проблем. Капассо удалось обойти эту проблему, используя всё ту же многослойную технологию для создания активной среды, создавая, таким образом, квантово-каскадный режим излучения. В качестве активной среды и резонатора у них выступала сложная гетероструктура из чередующихся нанометровых слоев GaInAs (арсенида галлия-индия) и микрометровых слоев InP (фосфида индия) — это особенность номер один. Второй особенностью было использование полусферических кремниевых линз для усиления когерентности излучения. Эти две особенности и позволили группе Капассо добиться успеха в создании терагерцевого лазера, работающего при комнатной температуре.

Однако, справедливости ради, надо отметить, что интенсивность и мощность этого излучения при комнатной температуре не такая уж высокая. Как видно из приведенных на рис. 1 графиков, интенсивность излучения при комнатной температуре (300 К) и при температуре 80 К различаются в 30 раз! Да и мощность излучения при 300 К составляет всего лишь 300 нановатт (по сравнению с 7 микроваттами при 80 К).

Тем не менее авторы полны оптимизма и надеются путем совершенствования своих технологий добиться в ближайшее время милливаттной мощности лазера при комнатной температуре.

Автор – Юрий Ерин

Источник: Mikhail A. Belkin, Federico Capasso, Feng Xie, Alexey Belyanin, Milan Fischer, Andreas Wittmann, Jérôme Faist. Room temperature terahertz quantum cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation // Appl. Phys. Lett. 92, 201101. 19 May 2008 (DOI:10.1063/1.2919051)