Традиционные технологии получения изображений внутренней структуры различных объектов – прежде всего, основанные на ультразвуковом и рентгеновском излучении – в ближайшем будущем могут быть дополнены многообещающим методом, связанным с использованием волн терагерцового (субмиллиметрового) диапазона, который располагается между диапазонами ИК и СВЧ.
Подобно СВЧ-излучению, электромагнитные волны терагерцовой частоты могут проникать сквозь большинство диэлектрических материалов, непрозрачных для видимого света, но при этом испытывают сильное поглощение на проводящих материалах. Молекулы множества веществ поглощают волны терагерцового участка спектра, демонстрируя весьма характерные линии поглощения, что дает возможность их надежного обнаружения. Благодаря этому, волны терагерцового диапазона можно использовать в детекторах химических веществ. Также эти волны хорошо подходят для получения изображений в медицине и других отраслях, требующих инспекции внутреннего состояния объектов – в первую очередь, из-за неионизирующего излучения, обладающего существенно более низкой энергией по сравнению с рентгеновским. Кроме того, вследствие более короткой длины волны по сравнению с СВЧ-излучением разрешение таких снимков может быть более высоким. В системах безопасности такое излучение позволит обнаруживать запрещенные предметы и вещества без нанесения вреда организмам людей, в медицине – проводить безопасные томографические исследования неглубоких слоев человеческого тела, например, на предмет обнаружения онкологических заболеваний. Перспективны применения таких волн в астрономии, реставрационной деятельности, контроля качества выпускаемых изделий в различных отраслях промышленности, а также в перспективе – для беспроводной передачи сигналов на короткие расстояния.
Для решения задач, связанных с формированием изображений, требуется высокая оптическая мощность, так как содержащийся в обычной атмосфере водяной пар существенно ослабляет терагерцовое излучение. Этому требованию отвечают квантовые каскадные лазеры, в настоящее время покрывающие частотный диапазон от 1,2 до 5,2 ТГц. Их существенным преимуществом является миниатюрность – ширина таких устройств составляет всего лишь несколько миллиметров, а основной недостаток заключается в низкой максимальной рабочей температуре, составляющей около 200К, вследствие чего для обеспечения их функционирования требуется криогенная система охлаждения. В настоящее время ведутся работы по созданию подобных лазеров, работающих при комнатной температуре и охлаждаемых с помощью термоэлектрических элементов – в частности, в одном из проектов с помощью внутрирезонаторной генерации разностной частоты удалось добиться излучения в диапазоне 3,3 – 4,6 ТГц при мощности 65 мВт [1].
Какие существуют способы повысить мощность лазера? Один из возможных методов – использовать большее число полупроводниковых слоев, что приведет к увеличению количества испускаемых фотонов. Однако, производство таких многослойных структур сопряжено со значительными трудностями. Новый рекорд мощности таких лазеров установлен в настоящее время в Технологическом университете Вены (TU Vienna) – с помощью специальной технологии были объединены две симметричные лазерные структуры (рис. 1), что увеличило интенсивность лазерного излучения в четыре раза, однако для этого потребовалась особая структура квантового каскада. Требуется наличие симметричных лазерных структур, электроны через которые могут перемещаться в обоих направлениях, для чего необходима компенсация присутствующей в обычных лазерах асимметричности. Эффективность излучения была увеличена не только за счет увеличения числа слоев, но и улучшенных оптических характеристик.
Рис. 1. А) Схема изготовления терагерцового квантового каскадного лазера. Слева проиллюстрирован процесс соединения полупроводниковых пластин, где одна активная область в перевернутом состоянии присоединяется к верхней части другой. Справа показано схематичное изображение готового устройства. Б) Полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение терагерцового квантового каскадного лазера с активной зоной, образованной соединенными полупроводниковыми пластинами и полуизолирующим поверхностным плазмонным волноводом. Граница раздела между двумя соединенными активными зонами не видна, что говорит о хорошем качестве соединения.
Предыдущий рекорд принадлежал разработке Массачусетского технологического института и составлял 250 мВт. Мощность излучения лазера, созданного специалистами TU Vienna, равна 1 Вт [2, 3]. Работы над увеличением мощности терагерцовых лазеров продолжаются.
Источники:
1. Q. Y. Lu, N. Bandyopadhyay, S. Slivken, Y. Bai и M. Razeghi. High performance terahertz quantum cascade laser sources based on intracavity difference frequency generation/ Optics Express, Vol. 21, Issue 1, pp. 968-973 (2013) http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.000968
2. Martin Brandstetter и пр. High power terahertz quantum cascade lasers with symmetric wafer bonded active regions/ Appl. Phys. Lett. 103, 171113(2013) DOI: 10.1063/1.4826943 http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/103/17/10.1063/1.4826943
3. World's Most Powerful Terahertz Quantum Cascade Laser. http://www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131030103559.htm.