Российские ученые совместно с зарубежными коллегами предложили новый метод увеличения эффективности фотопроводящих источников терагерцового (ТГц) излучения. Они использовали профилированное сапфировое волокно для фокусировки лазерного излучения накачки, что позволит в десятки раз повысить КПД устройства. Генерируемое с их помощью ТГц-излучение безвредно для живых организмов, поэтому его можно использовать в медицинской диагностике, при проверке качества сельскохозяйственной продукции и в системах связи 5G.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics Letters.

Одно из направлений современной прикладной физики — терагерцовое (ТГц) излучение — стало многообещающим в силу ряда преимуществ. Занимая промежуточное место между инфракрасным и микроволновым диапазонами, оно обладает особыми свойствами, имеющими большое практическое значение. Излучение поглощается разными биологическими тканями и водой, дает высококачественное (контрастное) изображение, хорошо проникает сквозь многие диэлектрические материалы (бумага, пластмасса, керамика).

Кроме того, ТГц-излучение безопасно для живых организмов, поэтому возможности его применения в биологии, экологии, фармацевтике, медицине очень разнообразны: для получения информации о структуре и динамике белков, в биопроцессах, для контроля качества сельхозпродуктов, а также в медицинской диагностике и терапии.

В связи с этим сегодня активно развиваются методы генерации и детектирования ТГц-излучения. Так, например, его получают с помощью фотопроводящей антенны (ФПА), которая работает благодаря короткоживущим носителям заряда. ФПА состоит из двух металлических электродов, нанесенных на полупроводниковую подложку с зазором между ними, а энергия ТГц-импульса поступает из электрической энергии, запасенной в зазоре. Фотопроводящие антенны экономичны, просты в изготовлении, надежны и показывают высокую частоту импульсов электромагнитного излучения.

Модель фотопроводящей антенны (ФПА) большой площади (a); увеличенное изображение элемента ФПА с фокусирующей оптикой на основе профилированного сапфирового волокна (b); поперечное сечение исследуемой структуры ©. Источник: Ponomarev et al. / Opt. Lett., 2022

Ученые из Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН (Москва), Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва), Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН (Черноголовка) с коллегами из Университета Тохоку (Япония) предложили оригинальный способ увеличения мощности ТГц-излучения, разместив на поверхности фотопроводящих антенн линзу на основе сапфирового волокна с высоким коэффициентом преломления.

Предварительное численное моделирование показало, что использование линзы должно вызвать в зазоре антенны пространственное перераспределение энергии импульса лазерной накачки. При этом интенсивность волн в зазоре у единичной антенны с сапфировым волокном должна стать в 40 раз больше, чем без него.

Ученые предложили способ размещения сапфирового волокна на лицевой стороне поверхности фотопроводящей антенны, что позволяет пропускать лазерные лучи через линзу, освещая зазор между контактами антенны. При этом можно легко управлять положением сапфирового волокна относительно зазора. Исследователи ожидают, что предложенный ими подход приведет к увеличению интенсивности генерации электромагнитных волн в зазоре и, соответственно, мощности генерируемого ТГц-излучения. В результате этого общий КПД излучателя антенны вырастет до 7–10 раз, что повысит эффективность работы устройств.

Разработанный в ИСВЧПЭ РАН кристалл ФПА в оснастке для проведения ТГц измерений. Источник: Дмитрий Пономарев

«Наша разработка ляжет в основу создания систем терагерцовой спектроскопии и визуализации, которые важны в ряде областей, включая создание систем неинвазивной диагностики раковых опухолей и высокоскоростной передачи информации на основе 5G и 6G», — рассказывает первый автор статьи Дмитрий Пономарев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заместитель директора ИСВЧПЭ РАН.