ИСТОЧНИК ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SOURCE OF TERAHERTZ RADIATION

Изобретение относится к источникам терагерцового (ТГц) излучения и может применяться в медицинских исследованиях при визуализации злокачественных опухолей, для неразрушающего контроля качества лекарств в фармацевтике и для сканирования людей в аэропортах, вокзалах и местах проведения массовых мероприятий с целью обнаружения предметов, укрываемых под одеждой.
Известен генератор субтерагерцового и терагерцового излучения на основе оптического транзистора (патент RU 2536327, H01L 31/112, G02F 1/00, опубл. в 2014), включающий источник лазерного излучения, электрическую цепь с источниками напряжения и импедансной нагрузкой, и оптически активный элемент. Оптически активный элемент оснащен дополнительным полевым транзистором, имеющим в подзатворной области слой полупроводника с коротким временем жизни фотовозбужденных носителей заряда, затвор из прозрачного или полупрозрачного материала, при этом электрическое смещение подается на сток и исток проводящего канала полевого транзистора.
Известен также многоэлементный генератор терагерцового излучения (патент RU 2523746, G02F 1/00, опубл. в 2014), содержащий исследуемый образец, лазер, излучающий фемтосекундное лазерное излучение, многоэлементный эмиттер, состоящий хотя бы из одного элементарного эмиттера, представляющего собой слой кристаллического полупроводника с напыленной металлической маской, формирующей резкий градиент освещенности слоя кристаллического полупроводника фемтосекундным лазерным излучением, при этом на границе освещенной и неосвещенной частей слоя кристаллического полупроводника сформирован резкий градиент концентрации фотовозбужденных носителей зарядов параллельно поверхности слоя кристаллического полупроводника. Также содержит эллиптическое зеркало, выполненное формирующим фокусированный пучок терагерцового излучения и содержащее отверстие для пропускания фемтосекундного лазерного излучения, а многоэлементный эмиттер выполнен содержащим растр цилиндрических микролинз, распределяющий фемтосекундное лазерное излучение между элементарными эмиттерами и формирующий на слое кристаллического полупроводника освещение только областей, участвующих в генерации ТГц излучения, кроме того, металлическая маска выполнена в виде плоских металлических полос.
Общим недостатком описанных устройств является применение дорогостоящего источника лазерного излучения, малое сечение потока ТГц излучения и низкая мощность ТГц излучения.
За прототип выбрано устройство широкополосной генерации терагерцового излучения на основе метаматериала (L. Luo, I. Chatzakis, J. Wang, F.B.P. Niesler, M. Wegener, T. Koschny, C.M. Soukoulis, Broadband terahertz generation from metamaterials. Nature Communications, vol. 5, Article number: 3055 doi: 10.1038/ncomms4055 (2014)), содержащее электромагнитный излучатель в виде фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 1500 нм, облучающий импульсами длительностью 140 фс подложку из супрасила толщиной 1 мм с расположенными на ней U-образными золотыми объектами в виде разрезных кольцевых резонаторов с габаритными размерами 212 нм × 220 нм × 40 нм и периодом расположения 382 нм, поляризатор в виде металлической проволочной сетки и систему фокусировки в виде параболического зеркала, при этом для накачки фемтосекундного лазера используется титан-сапфировый усилитель с длиной волны 800 нм, длительностью импульсов 35 фс и частотой повторения 1 кГц.
К недостаткам устройства широкополосной генерации терагерцового излучения на основе метаматериала, выбранного за прототип, относятся: высокая стоимость, так как для его работы требуется дорогостоящий излучатель в виде импульсного фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона; ограниченные возможности увеличения мощности ТГц излучения из-за малого числа облучаемых разрезных кольцевых резонаторов вследствие малой облучаемой площади подложки (ограниченной диаметром лазерного луча ≈4 мм) при больших размерах резонаторов (212 нм × 220 нм) и периода их размещения (382 нм); а также малое сечение потока ТГц излучения из-за малого диаметра лазерного луча (≈4 мм).
Технической задачей изобретения является снижение стоимости источника ТГц излучения при повышении его мощности за счет увеличения сечения потока ТГц излучения.
a
Поставленная задача решается за счет того, что источник терагерцового излучения, включающий корпус, в котором размещены электромагнитный излучатель, облучаемая подложка с расположенными на ней золотыми объектами и резонансный фильтр, плоскость которого параллельна плоскости подложки, снабжен металлической камерой с входным и выходным отверстиями на смежных стенках, установленной в корпусе с зазором, подложка с золотыми объектами размещена внутри металлической камеры так, что ось входного отверстия лежит в плоскости с золотыми объектами, причем в корпусе выполнено отверстие, совпадающее по форме и соосное с выходным отверстием камеры, в котором установлен резонансный фильтр, при этом электромагнитный излучатель выполнен в виде магнетрона с волноводом, установленным коаксиально с входным отверстием металлической камеры так, что торец волновода находится внутри камеры, а золотые объекты использованы произвольной формы, число атомов N в которых удовлетворяет неравенству:
F
m
где E - энергия Ферми золота, E - энергия пика энергетического распределения плотности состояний продольных фононов в золоте, ν - рабочая частота магнетрона, a h - константа Планка.
Магнетрон может быть выполнен с инверторным управлением мощности.
el
el
vm
vm
Выполнение электромагнитного излучателя в виде магнетрона с волноводом, установленным коаксиально с входным отверстием металлической камеры, и облучающим подложку с золотыми объектами, установленную в металлической камере достаточно больших размеров позволяет одновременно реализовать в большом числе золотых объектов условие поглощения сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, а затем генерации ТГц квантов. Это условие требует, чтобы энергия целого числа m квантованных энергетических зазоров ΔE электронов в интервале от уровня Ферми до «возбужденного» электронного уровня была равна сумме энергий целого числа n квантованных энергетических зазоров ΔE продольных вибрационных мод атомов золота (то есть, продольных фононов) и СВЧ фотона hν:
С учетом того, что:
т
ут
vm
vm
1) в СВЧ диапазоне hv << щ-АЕ (например, при частоте магнетрона ν=2,45 ГГц энергия СВЧ фотона hν=0,01 мэВ, что намного меньше, чем n⋅ΔE=15,6 мэВ, энергия наиболее распространенного в золотом объекте продольного фонона);
еl
vm
2) наибольшая эффективность поглощения СВЧ фотона (и наибольшая мощность ТГц излучения источника) имеет место при m=n;
el
F
a
3) ΔE≈(4/3)⋅(E/N);
a
из соотношения (2) следует требование к необходимому числу атомов N в золотых объектах:
a
F
vm
N≈(4/3)⋅(E/ΔE),
vm
m
m
vm
el
а из него - неравенство (1). Левая часть неравенства (1) отражает предельный случай, когда «возбужденным» уровнем электрона является уровень, ближайший к уровню Ферми, и при этом энергетический зазор ΔE равен Е, энергии пика энергетического распределения плотности состояний продольных фононов в золоте (Е=15,6 мэВ). Правая же часть неравенства (1) отражает другой предельный случай, когда между «возбужденным» уровнем электрона и уровнем Ферми существует много электронных энергетических уровней и при этом зазор ΔE=ΔE=hν. Этот предельный случай обусловлен нежелательностью возможного нагрева золотых объектов вследствие выполнения законов сохранения энергии и импульса за счет соотношения неопределенностей Гейзенберга.
a
Обеспечение числа атомов N в золотых объектах произвольной формы согласно неравенству (1) создает возможность увеличения мощности ТГц излучения за счет:
m
(а) одновременного поглощения фермиевским электроном объекта как СВЧ фотона, так и наиболее распространенного в объекте продольного фонона, который численно доминирует в энергетическом распределении продольных фононов в золоте (Е=15,6 мэВ);
(б) увеличения числа облучаемых золотых объектов вследствие, во-первых, малости их габаритных размеров по сравнению с габаритными размерами разрезных кольцевых резонаторов в устройстве-прототипе и, во-вторых, благодаря большей площади подложки, облучаемой СВЧ фотонами;
(в) рассеяния возбужденного электрона на границе объекта (а не внутри него, где поглощенная энергия могла бы выделиться в виде теплоты вместо излучения ТГц кванта), который, релаксируя, испустит квант ТГц излучения.
F
m
-15
Например, при рабочей частоте магнетрона с волноводом ν=2,45 ГГц, E=5,53 эВ, Е=15,6 мэВ, h=4,14⋅10 эВ⋅с неравенство (1) примет вид:
a
5
473≤N<7,3⋅10.
Чтобы обеспечить максимальное число ТГц квантов, проходящих в единицу времени через резонансный фильтр, сумма энергий СВЧ фотона и продольного фонона, доминирующего в энергетическом распределении продольных фононов в золоте, равна энергии пропускания резонансного фильтра. Это также позволит повысить мощность ТГц излучения источника.
Использование СВЧ фотонов для получения ТГц излучения снижает стоимость источника ТГц излучения, так как стоимость излучателей СВЧ диапазона на три порядка ниже стоимости фемтосекундного лазера. А так как мощность излучателей СВЧ диапазона легко обеспечивается на уровне 1-2 кВт, что намного превышает среднюю мощность существующих фемтосекундных лазеров ближнего инфракрасного диапазона, ограниченную 0,01-15 Вт, таким образом создается возможность повышения мощности источника ТГц. Кроме того, использование СВЧ излучения позволяет облучать подложку больших размеров: она может иметь ширину и высоту камеры. Благодаря этому, во-первых, увеличивается сечение потока ТГц излучения, а, во-вторых, площадь подложки может намного превысить площадь подложки с разрезными кольцевыми резонаторами в устройстве-прототипе, поэтому прямым (непосредственно от магнетрона с волноводом) и отраженным от стенок металлической камеры СВЧ излучением обеспечивается одновременное и всестороннее облучение гораздо большего числа объектов, чем разрезных кольцевых резонаторов в устройстве-прототипе. Следовательно, за счет сбора ТГц излучения с большего числа объектов при помощи фокусировки также создается возможность повышения мощности ТГц излучения на исследуемом объекте.
Выполнение магнетрона с инверторным управлением его мощности позволит плавно изменять выходную мощность источника ТГц излучения, что важно при медицинских исследованиях.
Источник ТГц излучения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид в разрезе; на фиг. 2 - то же, вид сверху. На фиг. 3 изображен вид золотой нанополоски сверху; на фиг. 4 - то же, вид сбоку в разрезе. На фиг. 5 - изображен вид золотого нанокольца сверху; на фиг. 6 - то же, вид сбоку в разрезе.
Источник терагерцового излучения состоит из корпуса 1, в котором с зазором 2 установлена металлическая камера 3 с входным 4 и выходным 5 отверстиями на смежных стенках, облучаемой подложки 6 с нанесенными золотыми объектами 7, электромагнитного излучателя в виде магнетрона 8 с волноводом 9 и резонансного фильтра 10, системы питания, управления и охлаждения (на рис. не показаны). Подложка 6 размещена в камере 3 так, что ось входного отверстия 4 находится в плоскости с золотыми объектами 7, при этом плоскость подложки 6 параллельна плоскости выходного отверстия 5. Волновод 9 установлен коаксиально с входным отверстием 4. Торец волновода 9 находится внутри камеры 3. В корпусе 1 выполнено отверстие 11, совпадающее по форме с выходным отверстием 5 и соосное с ним. В зазоре 2 в отверстиях 5 и 11 плотно установлен резонансный фильтр 10. На выходе резонансного фильтра 10 может быть размещена система фокусировки 12, собирающая эмиттированное объектами ТГц излучение и фокусирующая его на исследуемом объекте 13. При использовании источника ТГц излучения для сканирования людей с целью обнаружения предметов, скрытых под одеждой, система фокусировки 12 не устанавливается, так как в этом случае требуется нефокусированный широкий поток ТГц излучения, обеспечивающий на туловище человека пятно размерами ≈0,5 м × 0,5 м.
Источник ТГц излучения работает следующим образом. Магнетрон 8 (фиг. 1, 2) генерирует СВЧ фотоны, которые через волновод 9 поступают в полость металлической камеры 3, в которой смонтирована подложка 6 с множеством расположенных на ней золотых объектов 7. Объекты 7 облучаются магнетроном 8 с волноводом 9 и отраженным от стенок металлической камеры 3 потоком СВЧ фотонов. В объектах 7 фермиевские электроны поглощают одновременно СВЧ фотоны и продольные фононы, существующие в объектах 7. Энергия продольных фононов равна 15,6 мэВ и соответствует пику энергетического распределения продольных фононов в золоте. Доминирующее число поглощаемых продольных фононов обусловливает и повышенную интенсивность потока ТГц фотонов с энергией 15,6 мэВ, испущенных возбужденными электронами в результате их рассеяния на границах объектов 7. ТГц фотоны с энергией 15,6 мэВ, испущенные в направлении резонансного фильтра 10, выходят из металлической камеры 3 через резонансный фильтр 10, имеющий энергию пропускания 15,6 мэВ (частоту пропускания 3,77 ТГц), а фон СВЧ фотонов поглощается резонансным фильтром 10 и не выходит наружу. В случае применения источника ТГц излучения для исследования объекта 13, поток ТГц фотонов, пропущенных резонансным фильтром 10, собирается системой фокусировки 12 и фокусируется на исследуемом образце 13. В случае применения источника ТГц излучения для сканирования людей с целью обнаружения предметов, укрываемых под одеждой, поток ТГц фотонов, пропущенных резонансным фильтром 10, должен быть широким, поэтому он не фокусируется, и система фокусировки 12 не используется.
В таблице 1 приведены примеры реализации источника ТГц излучения при различных сочетаниях подложки, типа объектов, резонансного фильтра и системы фокусировки, рабочая частота магнетрона с волноводом равна 2,45 ГГц, а СВЧ мощность магнетрона 1 кВт.
Таким образом, благодаря двум геометрическим факторам, способствующим увеличению числа золотых объектов-источников ТГц излучения (увеличенная площадь подложки для объектов и уменьшенные размеры последних), а также благодаря тому, что в золотых объектах фермиевские электроны одновременно поглощают СВЧ фотоны и продольные фононы, доминирующие в объектах, эмиттированная ТГц мощность источника ТГц излучения повышается. А применение излучателя СВЧ диапазона позволяет во много раз уменьшить стоимость источника ТГц излучения. Таким образом, поставленная техническая задача решена.
vm
а
Выполненные расчеты показали, что в золотых объектах угол γ (см. фиг. 3 и фиг. 5) между направлением импульса s возбужденного электрона (поглотившего в объекте СВЧ фотон и продольный фонон) и импульсом продольного фонона n⋅q составляет ≈72,3°. Поэтому возбужденный электрон неизбежно будет рассеиваться на границе объекта. При этом, вследствие значительной величины работы выхода электрона из золота (≈4,3 эВ), рассеиваемый электрон не покинет объект, а будет релаксировать, переходя на уровень Ферми с испусканием ТГц фотона с энергией 15,6 мэВ (частотой 3,77 ТГц), на которую «настроены» золотые объекты путем выбора числа атомов N в них согласно неравенству (1) (размеры объектов также должны быть меньше глубины скин-слоя в золоте в СВЧ диапазоне, например, при частоте магнетрона 2,45 ГГц - меньше 1,5 мкм). Таким образом, объекты становятся источниками ТГц излучения, ширина полосы которого определяется полной шириной на половине высоты энергетического распределения продольных фононов в золоте, то есть ≈3,74 мэВ (≈0,9 ТГц).
Выполненные расчеты для частоты магнетрона 2,45 ГГц показали следующие размеры нанополосок: d=3 нм, L=100 нм, Н=3,1 нм, при этом размер d/2 меньше средней длины свободного пробега электронов в наночастицах золота (≈1,7 нм), а все размеры нанополоски намного меньше глубины скин-слоя золота на частоте 2,45 ГГц (1,5 мкм). Аналогично, расчеты показали, что у наноколец размеры должны быть следующими: R=21,5 нм, r=18,5 нм, H=3,1 нм, при этом размер (R-r)/2 меньше средней длины свободного пробега электронов в наночастицах золота, а все размеры нанокольца намного меньше глубины скин-слоя золота на частоте 2,45 ГГц.
Использование источника ТГц излучения предлагаемой конструкции позволит удовлетворить острую потребность в аппаратуре для онкологических исследований и обеспечения безопасности.