Терагерцевый лазер впервые выстрелил узким пучком

Лазеры ближнего инфракрасного диапазона разработаны для обнаружения запрещённых к перевозке веществ и предметов в грузах, поиска дефектов в деталях и наблюдения раковых опухолей. Терагерцевые волны свободно проникают сквозь ткань, пластик, бумагу и многие другие типы материалов. Но до сих пор успешной работе устройств мешала одна деталь.

Современные образцы таких излучателей не слишком хорошо справляются с задачами, ради которых они конструировались, а причина — чисто техническая. У существующих полупроводниковых лазеров Т-диапазона излучение распространяется почти так же, как свет от обычной лампочки, то есть с высоким показателем расходимости пучка (beam divergence).

Такое положение дел решила исправить команда учёных из Гарварда (Harvard University) и университета Лидса (University of Leeds), впервые задумав и воплотив в жизнь терагерцевый лазер со сниженной расходимостью пучка, почти точечного действия по сравнению с его предшественниками.

"Идея была в том, чтобы создать искусственные оптические структуры на излучающей грани лазера и заставить его генерировать сильно коллимированные (тесно увязанные) лучи. Уже сейчас можно с уверенностью сказать, что в будущем эта технология позволит нам избавиться от необходимости устанавливать дорогие и громоздкие линзы", – уверен лидер группы исследователей Федерико Капассо.

Имитация распределения электрического поля устройства. Плоскость рисунка перпендикулярна лицевой грани лазера и расположена вдоль оси симметрии лазерного волновода. Масштабная линейка 200 микрометров (иллюстрация Yu et al./Nature Materials).

Как сообщают авторы в пресс-релизе университета Лидса, задавшись целью обойти проблему расхождения пучка, они стали экспериментировать с квантовым каскадным лазером (QCL).

Излучение QCL охватывает ИК-область спектра – как раз то, что требовалось учёным. Важнейшая особенность устройства в его сердцевине. Она состоит не из сплошного полупроводника, а из периодической структуры — множества тонких слоёв.

Последние формируют так называемую сверхрешётку, или одномерную квантовую яму, которая разделяет полосу разрешённых зон энергий на крошечные подзоны. На практике это означает, что электроны рекомбинируют каскадом, в несколько небольших шагов, а не единым скачком, как в случае других лазеров. Такой подход приводит к куда меньшим энергетическим затратам в случае терагерцевого диапазона волн.

Отметим, что саму идею модификации QCL для подобных целей ещё в прошлом году озвучивали инженеры Массачусетского технологического института, опубликовавшие статью (PDF-документ) в Nature Photonics.

Авторы новой работы выяснили, что для уменьшения расходимости пучка нужно выгравировать на полупроводниковой поверхности (сильнолегированном арсениде галлия) массив микроскопических бороздок различной глубины.

Слева – схема расположения углублений на полупроводниковой поверхности лазера. Цветом отмечена глубина разных групп бороздок. Справа – фото самого устройства, масштабная шкала 100 микрометров (иллюстрация Yu et al./Nature Materials).

Модифицированный таким образом вариант лазера физикам удалось заставить работать на частоте в 3 терагерца при длине волны в 100 микрометров – в оптическом спектре подобные лучи увидеть нельзя.

Структура с бороздками своеобразно "подпирает лазер" (на рисунке выше видна апертура лазера на вершине аппарата). Как и задумывалось, она играет роль коллиматора: расходимость пучка оказалась снижена почти до 10 градусов.

По словам авторов, чья статья опубликована в Nature Materials, ключевым фактором для их успеха было использование принципа метаматериалов. Применение последних в полупроводниковых приборах пока очень ограничено.

Измеренное (слева) и смоделированное поле излучения устройства. Дополнительную информацию о его работе можно узнать из пресс-релиза Гарварда (иллюстрация Yu et al./Nature Materials).

"В нашем случае метаматериал выполняет сразу двойную функцию – коллиматорную и ограничивающую терагерцевые волны на выходе из устройства, – объясняет один из создателей нового лазера Нанфан Юй. – Это свойство метаматериалов может быть в будущем эффективно применено для прикладного зондирования и оптических схем, где задействован терагерцевый диапазон".