УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована для сканирования в системах безопасности, для систем связи, а также для изучения биологических объектов.
Известны устройства для сканирования в системах безопасности, а также для изучения разнообразных непрозрачных в видимом диапазоне объектов, включая биологические, основанные на просвечивании рентгеновскими лучами [1], которые оказывают при этом вредное воздействие на биологические объекты, поскольку энергия квантов такого излучения составляет сотни электронвольт и более.
Для устранения такого вредного воздействия при просвечивании непрозрачных в видимом диапазоне объектов могут быть применены терагерцовые электромагнитные волны, не наносящие вреда биологическим объектам, поскольку энергия квантов терагерцового излучения не превышает 40 миллиэлектронвольт, что меньше, чем у рентгеновского, в тысячи и более раз.
Известные излучатели терагерцовых электромагнтных волн [2-5] основаны на переходах носителей - электронов проводимости и дырок, то есть частиц с полуцелым спином, подчиняющихся статистике Ферми (фермионов). Особенностью статистики таких частиц является невозможность их неограниченного накопления на энергетических уровнях, что снижает эффективность излучателей, основанных на межуровневых переходах фермионов.
Известно твердотельное устройство для генерации электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне [6], которое является наиболее близким по решаемой задаче и принятое в качестве прототипа. Известное устройство состоит из монокристаллической полупроводниковой подложки и последовательно выращенных на ней первого Брэгговского зеркала, области генерации и второго Брэгговского зеркала. К области генерации приложено статичное электрическое поле для пространственного разделения электронов и дырок, генерируемых импульсами световой волны, которые направляются на устройство. Аннигиляция (рекомбинация) этих электронов и дырок происходит периодически с высокой частотой.
Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что они состоят из выращенных на подложке чередующихся полупроводниковых слоев различного состава, образующих активную область излучателя, заключенную между двумя Брэгговскими отражателями.
Недостатком известного устройства является достаточно длительные времена экспозиции вследствие ограниченной интенсивности испускаемого им монохроматического терагерцового излучения вследствие того, что область генерации представляет собой слой полупроводника постоянного состава, заключенный между более широкозонными барьерными слоями. В результате в этом слое образуется квантовая яма с прямоугольной формой потенциала, при которой невозможно получить лестницу энергетических уровней, такую, что разница энергий между соседними уровнями будет иметь постоянное значение [7]. В результате либо энергия квантов терагерцового излучения, соответствующая переходам между различными парами уровнями, различается, и излучение не является монохроматичным, либо в случае потенциальной ямы малой мощности, имеющей одну пару уровней, может быть получено монохроматическое терагерцовое излучение, но его интенсивность будет ограничена.
Техническим результатом заявленной полезной модели является сокращение времен экспозиции вследствие существенного увеличения интенсивности монохроматических терагерцовых электромагнитных волн, испускаемых излучателем, которое достигается при создании квантовой ямы со специальным ходом потенциала, содержащей несколько равноотстоящих по энергии уровней, что приводит к повышению интенсивности монохроматического терагерцового излучения при переходах экситонов между этими уровнями.
F
1-F
X
1-X
X
F
1-F
Указанный технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что в устройстве для получения когерентных терагерцовых электромагнитных волн, содержащем подложку с нанесенными на нее Брэгговскими зеркалами и заключенными между ними широкозонными барьерными слоями, между которыми расположен активный слой с квантовой каскадной структурой, в соответствии с заявленной полезной моделью, активный слой имеет толщину 2d и выполнен в виде последовательно расположенных атомных монослоев твердого раствора AB переменного состава, плавно изменяющегося вдоль направления, перпендикулярного к плоскости монослоев, а также тем, что после выращивания на подложке барьерного слоя с составом ΑΒ, имеющего ширину запрещенной зоны Ε, выращивают активный слой толщиной 2d с переменным химическим составом AB. При этом параметр F изменяется вдоль направления, перпендикулярного к плоскости монослоев, в соответствии с формулой:
,
где z - расстояние от края ближнего к подложке барьерного слоя;
d
F
1-F
E - ширина запрещенной зоны твердого раствора AB в точке z=d,
X
E - ширина запрещенной зоны барьерных слоев,
В
E - ширина запрещенной зоны полупроводника с составом В,
0
k и b - коэффициенты зависимости ширины запрещенной зоны твердого раствора
F
1-F
AB от его состава, которую определяют по формуле:
.
X
d
d
B
0
2
2
2
1/2
a
Для нахождения зависимости ширины запрещенной зоны E(z) в активном слое вдоль направления роста достаточно подставить зависимость F(z) в формулу (2). Обозначим величину [1+4b((E-E)(z-d)/d+E-E)/(k-b)] как (z), тогда искомая зависимость E(z) после преобразований
В
0
0
B
0
a
a
a
a
2
2
2
2
2
2
E(z)=Е+[(z)-1](k-b)/(2b)+b[(z)-2(z)+1](k-b)/(2b)=E+[(z)-1](k-b)/(4b)
приобретает вид
.
В потенциальной квантовой яме, которая образуется в активном слое, имеющий переменный состав, определяемый зависимостью (1), форма потенциала имеет параболическую зависимость (3). В таких потенциальных ямах разрешенные уровни эквидистантны по энергии [7] и при переходах между любыми парами соседних уровней происходит излучение квантов с одинаковой энергией, приводя к достижению заявленного технического результата.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется Фиг. 1 - Фиг. 2.
X
1-X
X
F
1-F
На Фиг. 1 представлена схема устройства для получения когерентных терагерцовых электромагнитных волн. Заявленная полезная модель содержит выращенные на подложке 1 из полупроводникового материала барьерные слои 2 состава ΑΒ с шириной запрещенной зоны  и расположенную между ними активную область 3 толщиной 2d с переменным химическим составом AB, из которого происходит излучение терагерцовых электромагнитных волн. Активная область заключена между двумя Брэгговскими отражателями 4. Слой 5 покрывающего полупроводникового материала, выращенный поверх верхнего барьерного слоя обеспечивает защиту излучателя от механических воздействий.
X
На Фиг. 2 для большей наглядности технического эффекта, достигаемого полезной моделью, представлена в общем виде зависимость 6 ширины запрещенной зоны активного слоя излучателя, находящейся между барьерными слоями с шириной запрещенной зоны Ε; энергетическое положение 7 эквидистантных разрешенных уровней энергии; переходы 8 между соседними уровнями, при которых происходит излучение 9 монохроматических терагерцовых волн.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом (Фиг. 2).
T
Способом оптической накачки в барьерных слоях и активной области генерируются экситоны, которые, теряя энергию, оказываются на верхнем энергетическом уровне параболической потенциальной квантовой ямы 6. Дальнейшая потеря энергии происходит при переходах экситонов на ниже расположенные энергетические уровни 7. В силу эквидистантного по энергии расположения этих уровней при каждом переходе 8 происходит излучение 9 монохроматических квантов hv электромагнитного поля в терагерцовом диапазоне.
m
T
Методом оптической накачки фотонами 10 с энергией hv, находящейся в резонансе как с полосой пропускания верхнего Брэгговского отражателя, так и с одним из энергетических уровней 7 параболической потенциальной квантовой ямы 6, в активной области на этом уровне генерируются экситоны. В дальнейшим происходит потеря энергии экситонов при их переходах на ниже расположенные энергетические уровни 7. В силу эквидистантного по энергии расположения этих уровней 7 при каждом переходе 8 происходит излучение 9 монохроматических квантов hv электромагнитного поля в терагерцовом диапазоне.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: обеспечение более интенсивного излучения монохроматических терагерцовых электромагнитных волн.
Как показали результаты апробации, которые представлены примером, заявленная полезная модель позволяет эффективно в разных условиях осуществлять излучение монохроматических терагерцовых электромагнитных волн с повышенной интенсивностью.
Пример.
F
1-F
0.11
0.89
0.15
0.85
0.11
0.89
Полезная модель была опробована на устройстве с активным слоем толщиной 50 нанометров, имевшим состав (InAs)(GaAs) и заключенном между барьерными слоями с составом (AlAs)(GaAs). Величина F изменялась по формуле (3) от 0.11 у барьеров до 0.05 в центре активного слоя. Брэгговские зеркала состояли из сверхрешеток с составом слоев (AlAs)(GaAs) и (AlAs)(GaAs). В соответствии с расчетами в активном слое образовалась потенциальная квантовая яма с параболическим ходом потенциала, содержащая 12 эквидистантных уровней с расстоянием 5 миллиэлектронвольт между соседними уровнями. Излучаемые электромагнитные волны с частотой 1.2 терагерца имели интенсивность, более чем на порядок превышавшую интенсивность излучения прототипа.
Технико-экономическое обоснование эффективности заявленной полезной модели состоит в существенном увеличении интенсивности излучаемых терагерцовых электромагнитных волн.
Кроме того, с учетом бурного роста уровня технологических процессов в данной области и качества гетероструктур можно предположить особую значимость заявленного устройства, состоящую в существенном упрощении, миниатюризации, компактности, удешевлении по сравнению с известными аналогами с одновременным повышением монохроматичности излучения.
Список использованной литературы:
1. Клюев В.В. // Рентгенотехника //справочник в 2 т., Машиностроение, М., 1992//
2. Barbieri S. // Terahertz Quantum Cascade Laser // Патент Великобритании GB 2409104 A, 08.12.2003.//
3. Sekiguchi R.; Ouchi T. // Quantum Cascade Laser Device // Патент США US 7386024 B2, 14.07.2005.//
4. Yasuda H.; Hosako I. // Quantum Cascade Laser // Патент США US 0215718 Al, 28.09.2006.//
5. Бакунов М.И.; Михайловский Р.В.; Царев М.В. // ИСТОЧНИК ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ // Патент России RU 130095 U1, 07.02.2013.//
6. Yamanishi M.; Kadoya Yu. // Solid State Device for Generating Electromagnetic Wave in Terahertz Band // Патент Канады CA 2184682, 03.09.1996.// (Прототип).
7. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. // Квантовая механика // Наука, М., 1974//