Ученые из России, Великобритании и Литвы провели тестовые испытания приемопередатчика терагерцевого излучения размером с булавочную головку. Антенна состоит из нескольких полупроводниковых слоев с квантовыми точками. Описание эксперимента опубликовано в журнале Laser & Photonics Reviews.

Спектр частот терагерцевого излучения лежит между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Терагерцевое излучение проникает сквозь живые ткани, но практически не рассеивается в них, и поэтому, в отличие от рентгеновских лучей, не представляет опасности для здоровья. Это свойство обеспечивает широкий спектр применения этого диапазона излучения: например, оно используется в системах безопасности для сканирования багажа и людей, с его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров (поэтому терагерцовое излучение часто называют «раздевающим»). В медицинскую практику начинают внедряться терагерцевые томографы, с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров. Это нужно, например, для получения изображения опухолей. Еще одно возможное применение — получение снимков поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, делает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального вида произведений живописи.

Credit: ITMO University

Существующие генераторы терагерцевого излучения используют конверсию инфракрасных лазерных лучей в терагерцевые. Такая конверсия выполняется при помощи сложных систем, включающих фотоантенны, полупроводниковые кристаллы или диоды — как правило, это дорогие массивные энергозатратные системы, которые, к тому же, работают только при низких температурах. Специфика их работы накладывает ограничения на максимальную мощность лазерного излучения и максимальную амплитуду прикладываемого напряжения во избежание перегрева и/или электрического пробоя.

Новое устройство работает на базе квантовых точек — частиц полупроводника размером в несколько нанометров, широко используемых в нанотехнологиях. Под воздействием электричества или света частица испускает свет конкретной частоты в зависимости от своих размеров и формы, и таким образом допускает высокоточное управление своими свойствами — поэтому квантовые точки иногда называют искусственными атомами.

Структура антенны: QD – активная область из нескольких слоев квантовых точек в матрице арсенида галлия. Credit: ITMO University

Антенна состоит из нескольких активных слоев квантовых точек, размещенных поверх отражателя Брагга. Импульсный лазерный свет пропускается сквозь активные слои между смещенными электродами антенны, и поглощается полупроводником. Накачка полупроводниковой структуры лазерным светом разных уровней энергии вызывает образование фототоков с параметрами, которые зависят от свойств соответствующего возбужденного активного слоя квантовых точек. Взаимодействие фототоков вызывает рекомбинацию радиационных и нейтральных процессов внутри полупроводника, таким образом, процесс конверсии оптического сигнала в терагерцевый происходит за счет управляемых рекомбинаций пар электрических зарядов в полупроводнике, после чего полученный фототок передается встроенной микро-антенной как терагерцевое излучение в полусферические линзы.

Одним из ключевых моментов эксперимента стало использование единого состава полупроводника как для источника импульсной лазерной накачки, так и для терагерцевого излучателя — в такой конфигурации ученые наблюдали дополнительное излучение и абсорбцию энергии, выполняемых, соответственно, лазером и антенной. Это «возрождение» эффективного терагерцевого сигнала, которое было зафиксировано при достижении энергией уровня возбуждения соответствующего слоя квантовых точек, стало самым важным новшеством проведенного эксперимента.

Схема генерации терагерцевого излучения в фотопроводниковой антенне. Credit: ITMO University

Ученые отмечают, что новая антенна не только позволяет генерировать терагерцевое излучение при комнатной температуре, но и значительно сокращает размеры источника излучения, что дает возможность объединить антенну с компактным инфракрасным лазером. Проведенные эксперименты показали, что созданное устройство выдерживает десятикратное увеличение интенсивности входного лазерного импульса по сравнению с традиционными терагерцевыми генераторами.

Исследователи предполагают, что новое устройство может быть использовано в высокоскоростных системах связи, а также в компактных терагерцевых сканерах, которые можно использовать для получения динамических изображений глубоких слоев кожи, сканирования эмбриона, мозга, а также внутренних органов и опухолей.

Автор: Надежда Бессонова