Терагерцовые (ТГц) волны обладают рядом интересных свойств, из-за которых они являются объектом пристального внимания ученых всего мира. ТГц излучение легко проходит через большинство диэлектриков, сильно поглощается проводящими материалами, не причиняет вреда живым организмам — по сути, оно являются безопасной альтернативой рентгеновским лучам и может широко применяться в сфере безопасности, в медицине, для передачи информации.
Спектр его частот лежит между диапазонами инфракрасного и сверхвысокочастотного излучений. Генерация И К и СВЧ волн в настоящее время не представляет трудости: например, телевизионные пульты используют ИК диапазон, а СВЧ помогает разогреть еду в микроволновке. В случае же с ТГц диапазоном привычные методы работать перестают. Его сложно зарегистрировать,так как многие терагерцовые приемники регистрируют также и тепловое излучение предметов комнатной темпиратуры. Из-за этого ТГц приемники подвержены действию тепловых флуктуаций, и чтобы получить четкую «картинку», нужно или как можно сильнее охлаждать приемник, или использовать другие приемники, основанные на эффекте фотопроводимости, о котором пойдет речь в этой статье. Однако такие фотопроводящие элементы необходимо дополнительно освещать лазерным излучением.
Сгенерировать когерентное ТГц излучение тоже непросто. Применять подходы, которые используются при генерации СВЧ-излучения, слишком дорого и технически сложно: для этого понадобится синхротрон или лазер на свободных электронах. Можно попробовать применить оптические методы, которые используются в полупроводниковых лазерах. Электроны в полупроводнике получают извне дополнительное количество энергии и «перескакивают» через запрещенную зону, а во время релаксации — возвращения в исходное состояние — лишняя энергия испускается в виде электромагнитного излучения. При комнатной температуре добиться ТГц частот снова не удается: нужно, чтобы электроны достаточно быстро переходили с уровня на уровень, зазор между уровнями должен быть небольшим. Поэтому источник тоже приходится охлаждать до криогенных температур.
Как рассказывает инженер кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Лепешов, источники ТГц излучения, эффективные при комнатной температуре, появились только в начале 90-х с распространением новых лазерных технологий. К примеру, появилась возможность использовать для накачки фемтосекундный лазер: он излучает энергию импульсами настолько короткими, что пучок света физически занимает совсем небольшое пространство, мгновенная мощность импульса при этом может достигать гигантских значений. В результате удается значительно уменьшить время релаксации зарядов для получения ТГц частоты. Еще можно использовать две непрерывные лазерные волны с разностью частот, лежащей в ТГц области. Но для того, чтобы добиться нужной мощности, этого может быть недостаточно.
«Наша обзорная работа, по сути, рассказывает о том, чем мы занимаемся в области создания эффективных источников ТГц излучения. Для генерации терагерцового излучения мы используем полупроводники с минимальным временем жизни носителей заряда. Но, чтобы повысить эффективность преобразования оптического излучения в терагерцовое, мы наносим на полупроводниковую подложку контакты специальной формы из золота; такая структура называется фотопроводящей антенной. Внешнее поле увеличивает энергию носителей заряда, соответственно увеличивается выходная мощность терагерцового излучения, — объясняет Сергей Лепешов. — Существуют способы еще сильнее повысить эффективность генерации излучения — например, использование оптических наноантенн. Рассказу о таких современных способах увеличения эффективности ТГц источников и посвящена статья в Laser&Photonics Reviews».
По словам ученого, существует множество типов оптических наноантенн, которые различаются по материалам и структуре, а также сложности в изготовлении, эффективности преобразования оптического излучения в терагерцовое. По результатам обзора в статье была представлена сравнительная таблица, учитывающая характеристики различных типов антенн.
«У многих из рассмотренных антенн есть свои недостатки, поэтому сейчас на кафедре нанофотоники и метаматериалов мы работаем над созданием наноантенн нового типа. Наноантенны и электроды обычно изготавливают из золота, а мы планируем применить для этих целей кремний. Он не так сильно отражает и поглощает падающее излучение, как металл, за счет этого мы планируем уменьшить потери. Также при определенной интенсивности лазерных импульсов металл начинает плавиться, кремниевые наноантенны этому подвержены гораздо меньше», — говорит Сергей Лепешов.
Ознакомиться с работой можно на сайте издательства.
