МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
MULTIELEMENT TERAHERTZ RADIATION GENERATOR

Устройство относится к генераторам импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот, основанным на преобразовании фемтосекундного лазерного излучения. Подобные генераторы применяются для создания импульсных терагерцовых спектрометров, предназначенных для исследования свойств веществ и материалов в терагерцовой области электромагнитного спектра. Такие устройства должны обладать высоким коэффициентом преобразования лазерного излучения в терагерцовое. Для решения специфических задач с использованием мощного излучения необходимо применение материалов, обладающих высокой радиационной стойкостью. При этом устройство должно обладать малыми габаритами для создания портативных спектрометров.
Известны технические решения, используемые в конструкции фотопроводящих антенн: TERA15-FC, выпускаемых компанией «Menio Systems», Германия (http://www.menlosvstems.com): G10620-11, G10620-12, G10620-13, выпускаемые компанией «Hamamtsu», Япония (http://ip.hamamatsu.com). Устройства относятся к генераторам импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот, основанным на преобразовании фемтосекундного лазерного излучения, и представляют собой фотопроводящую антенну, установленную в единый корпус с кремниевой линзой. Фотопроводящие антенны представляют собой напыленные на поверхность полупроводника электроды. Генерация терагерцового излучения происходит при поглощении фемтосекундного лазерного излучения в полупроводнике и связана с возникновением в нем импульсного фототока за счет дрейфа фотовозбужденных носителей заряда вдоль поверхности полупроводника в электрическом поле, приложенном к электродам. Максимум диаграммы направленности терагерцового излучения перпендикулярен направлению дрейфа и поверхности полупроводника. Установленная кремниевая линза коллимирует или фокусирует терагерцовое излучение.
Такие устройства обладают повышенным шумом, т.к. флуктуации внешнего электрического поля переносятся в терагерцовый сигнал и ухудшают шумовые характеристики генератора в целом. Также фотопроводящие антенны характеризуются насыщением мощности генерируемого терагерцового излучения с ростом интенсивности лазерного. Это насыщение связано с экранированием приложенного электрического поля возбужденными носителями зарядов в полупроводнике.
Недостатком известных технических решений является то, что в фотопроводящих антеннах есть необходимость приложения внешнего электрического поля, создаваемого электродами на поверхности полупроводника. Кроме того, между электродами протекает фототок, пропорциональный интенсивности лазерного излучения. Электрическая мощность, которая определяется произведением напряженности приложенного электрического поля и силы фототока, преобразуется в тепло, которое необходимо отводить от устройства. Это определяет ограничение максимальной мощности лазерного излучения и максимальной амплитуды прикладываемого напряжения во избежание перегрева и/или электрического пробоя устройства.
Известно техническое решение на основе кристаллического полупроводника, используемое в генераторах импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот, основанных на преобразовании фемтосекундного лазерного излучения. Техническое решение описано в публикации: Vitalij L. Malevich a, Ramunas Adomavicius, Arunas Krotkus, «THz emission from semiconductor surfaces», Science Direct, C.R. Physique 9 (2008) 130-141. Генерация терагерцового излучения происходит при поглощении фемтосекундного лазерного излучения в кристаллическом полупроводнике и связана с возникновением в нем импульсного фототока за счет механизмов диффузии фотовозбужденных носителей заряда (эффект Дембера) и их дрейфа во встроенном электрическом поле кристаллического полупроводника.
Недостаток известного технического решения связан с низким коэффициентом преобразования лазерного излучения в терагерцовое излучение, а именно с выводом сгенерированного терагерцового излучения из приповерхностного слоя кристаллического полупроводника наружу. Низкую эффективность преобразования можно объяснить следующим образом. Векторы направления дрейфа и диффузии фотовозбужденных носителей заряда перпендикулярны поверхности полупроводника и сонаправлены с векторами встроенного электрического поля и вектором электрического поля, вызванного эффектом Дембера, соответственно. Таким образом, диаграмма направленности терагерцового излучения перпендикулярна этим векторам и параллельна поверхности полупроводника. Из-за большого показателя преломления полупроводника только незначительная часть терагерцового излучения выводится из генератора, отражаясь от его поверхности с внутренней стороны. Второй недостаток известного технического решения связан с насыщением мощности терагерцового излучения с ростом интенсивности лазерного. В локальной области, освещенной лазерным излучением, может быть создано конечное число фотовозбужденных носителей зарядов, участвующих в генерации терагерцового излучения, и таким образом дальнейшее увеличение мощности лазерного излучения не приводит к увеличению мощности терагерцового.
Известно техническое решение, используемое в генераторах импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот, основанных на преобразовании фемтосекундного лазерного излучения (Патент WO 2010/142313 «A passive terahertz radiation source», МПК H01S 1/02, G02f 2/02, приоритет от 2010-12-16), выбранное в качестве прототипа. Генератор терагерцового излучения содержит источник импульсного лазерного излучения в виде лазера и эмиттер, состоящий хотя бы из одного элементарного эмиттера, представляющего собой слой кристаллического полупроводника, часть поверхности которого освещена импульсным лазерным излучением, и под действием этого излучения на границе освещенной и неосвещенной областей параллельно поверхности кристаллического полупроводника формируется резкий градиент концентрации фотовозбужденных носителей зарядов. Генерация терагерцового излучения основана на фотоэффекте Дембера, действие которого можно описать следующим образом. Носители зарядов диффундируют в область с меньшей концентрацией и формируют импульсный диффузионный ток. Значительная разность подвижностей положительных и отрицательных носителей зарядов приводит к их пространственному разделению и формированию вектора напряженности электрического поля. Изменение диффузионного тока в электрическом поле приводит к излучению электромагнитного импульса.
Спектральный состав и длительность импульса определяются параметрами лазерного излучения и свойствами кристаллического полупроводника и соответствуют терагерцовому диапазону частот. Генератор лишен недостатка, связанного с выводом терагерцового излучения из слоя кристаллического полупроводника наружу, так как диаграмма направленности терагерцового излучения перпендикулярна вектору электрического поля, вызванного эффектом Дембера, и соответственно поверхности кристаллического полупроводника. В соответствии с законом отражения Френеля, вывод терагерцового излучения перпендикулярно, т.е. под углом 90 градусов, к поверхности кристаллического полупроводника является наиболее эффективным, т.к. обладает наименьшими потерями на отражение терагерцового излучения от внутренней поверхности кристаллического полупроводника. Таким образом, выводится максимально возможная мощность терагерцового излучения.
Использование фотоэффекта Дембера для генерации терагерцового излучения не требует использования внешнего электрического поля, флуктуации которого переносятся в шум терагерцового излучения и ухудшают отношение сигнал/шум генератора в целом. Также благодаря этому не происходит насыщения мощности генерируемого терагерцового излучения при увеличении интенсивности фемтосекундного лазерного излучения, связанного с экранированием приложенного электрического поля фотовозбужденными носителями зарядов в кристаллическом полупроводнике.
Генератор, состоящий из множества элементарных эмиттеров (многоэлементный генератор), имеет больший коэффициент преобразования фемтосекундного лазерного излучения в терагерцовое, чем генератор, состоящий из одного элементарного эмиттера (одноэлементный генератор), так как многоэлементный генератор лишен недостатка, связанного с насыщением мощности терагерцового излучения с ростом мощности лазерного. Мощность фемтосекундного лазерного излучения распределяется пропорционально количеству элементарных эмиттеров, задействованных в генерации терагерцового излучения, и в каждом элементарном эмиттере ее величина становится ниже пороговой для включения механизма насыщения. Общая мощность терагерцового излучения многоэлементного генератора является суммой мощностей, излучаемых каждым его элементарным эмиттером. Таким образом, мощность терагерцового излучения может быть значительно увеличена по сравнению с одноэлементным генератором за счет увеличения мощности фемтосекундного лазерного излучения и отсутствия при этом насыщения.
В прототипе описана схема многоэлементного генератора. Он представляет собой слой кристаллического полупроводника с напыленной на его поверхность периодической структурой, состоящей из металлических полос. Профиль полос имеет форму клина. При освещении лазерным излучением часть его отражается от металлических полос, а оставшаяся часть поглощается в кристаллическом полупроводнике. Более толстый край металлической полосы полностью изолирует под собой кристаллический полупроводник от освещения лазерным излучением и формирует резкий градиент освещенности кристаллического полупроводника. Более тонкий край является полупрозрачным и формирует плавный градиент. Чем резче градиент освещенности лазерным излучением, тем резче градиент плотности сформированных фотовозбужденных носителей заряда в кристаллическом полупроводнике, выше амплитуда импульсного диффузионного тока и мощность терагерцового излучения. Таким образом, основная мощность терагерцового излучения формируется областями около толстого края металлической полосы. Напыление полос однотипным образом позволяет формировать сонаправленные векторы градиентов концентрации фотовозбужденных носителей при освещении лазерным излучением всей структуры. Таким образом, амплитуды терагерцовых волн, излучаемых каждой областью возле толстого края металлической полосы, по сути являющейся элементарным эмиттером, складываются.
Недостатком известного технического решения является неэффективное использование фемтосекундного лазерного излучения, при котором освещается вся поверхность элементарного эмиттера, в том числе и его области, которые не участвуют в генерации терагерцового излучения: вся поверхность металлической полосы и область возле ее тонкого края. Суммарная площадь областей, не участвующих в генерации терагерцового излучения, больше суммарной площади участвующих. Дополнительным недостатком данного технического решения является генерация расходящегося пучка терагерцового излучения, что требует использования образцов большого размера для спектроскопического исследования и уменьшает плотность энергии терагерцового излучения, необходимую, к примеру, для биологических исследований.
Перед авторами стояла задача разработать многоэлементный генератор терагерцового излучения, основанный на преобразовании фемтосекундного лазерного излучения, с более эффективным использованием лазерного излучения.
Поставленная задача решается тем, что многоэлементный генератор терагерцового излучения, 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, дополнительно содержит эллиптическое зеркало, выполненное формирующим сфокусированный 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 терагерцового излучения, кроме того, металлическая маска выполнена в виде плоских металлических полос, причем слой кристаллического полупроводника выполнен в виде кристалла InAs при длине волны фемтосекундного лазерного излучения 775 нм, а при длине волны фемтосекундного лазерного излучения 1550 нм слой кристаллического полупроводника выполнен в виде кристалла InSb
Технический эффект заявляемого устройства заключается в увеличении коэффициента преобразования фемтосекундного лазерного излучения в терагерцовое излучение; увеличении плотности энергии сфокусированного на исследуемом образце терагерцового излучения, а также в возможности использования исследуемых образцов небольшого размера и расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг.1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого многоэлементного генератора терагерцового излучения, где 1 - лазер, 2 - фемтосекундное лазерное излучение, 3 - отверстие, 4 - многоэлементный эмиттер, 5 - терагерцовое излучение, 6 - эллиптическое зеркало, 7 - исследуемый образец.
На фиг.2 представлена схема, поясняющая работу многоэлементного эмиттера, где 2 - фемтосекундное лазерное излучение, 5 - терагерцовое излучение, 8 - растр цилиндрических микролинз, 9 - элементарный эмиттер, 10 - металлическая маска, 11 - кристаллический полупроводник, 12 - фототвозбужденные носители заряда, 13 - вектор градиента концентрации фотовозбужденных носителей заряда.
Заявляемый многоэлементный генератор терагерцового излучения работает следующим образом. Лазер 1 генерирует фемтосекундное лазерное излучение 2 на длине волны фемтосекундного лазерного излучения 1550 нм или 775 нм. Фемтосекундное лазерное излучение 2 направлено через отверстие 3 в эллиптическом зеркале 6 на многоэлементный эмиттер 4, зона излучения которого находится в одном из двух фокусов эллиптического зеркала 6 и который преобразует фемтосекундное лазерное излучение 2 в терагерцовое излучение 5. Терагерцовое излучение 5 преобразуется эллиптическим зеркалом 6 в сфокусированный пучок, обладающий высокой плотностью энергии, сконцентрированный в области второго фокуса эллиптического зеркала 6, где находится исследуемый образец 7, таким образом, осуществляется один из технических эффектов заявляемого изобретения, позволяющий использовать для исследования образцы небольшого размера.
В многоэлементном эмиттере 4 происходит преобразование фемтосекундного лазерного излучения 2 в терагерцовое излучение 5 следующим образом. Многоэлементный эмиттер 4 состоит хотя бы из одного элементарного эмиттера 9. Фемтосекундное лазерное излучение 2 равномерно распределяется растром цилиндрических микролинз 8 между элементарными эмиттерами 9 и фокусируется на слое кристаллического полупроводника 11 в области, участвующей в генерации терагерцового излучения, а именно у края металлической маски 10, выполненной в виде плоских металлических полос, напыленных на слой кристаллического полупроводника 11. Металлическая маска 10 должна обладать достаточной толщиной, чтобы не пропускать фемтосекундное лазерное излучение 2. Периоды полос металлической маски 10 и растра цилиндрических микролинз 8 должны совпадать. Ширина полос металлической маски 10 и расстояние между этими полосами не должны быть менее половины ширины распределения интенсивности фемтосекундного лазерного излучения 2 в фокусе растра цилиндрических микролинз 8. Поперечные размеры металлической маски 10 и области кристаллического полупроводника 11, покрытой элементарными эмиттерами 9, должны быть не менее поперечных размеров фемтосекундного лазерного излучения 2. Толщина слоя кристаллического полупроводника 11 должна быть не менее 4/α (где α - коэффициент поглощения кристаллического полупроводника) для обеспечения поглощения не менее 98% фемтосекундного лазерного излучения 2, прошедшего внутрь этого слоя.
Край полосы металлической маски 10 смещен относительно центра фокуса соответствующей микролинзы растра цилиндрических микролинз 8 на расстояние, не большее, чем диаметр светового пятна сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения 2, таким образом, что на поверхности кристаллического полупроводника 11, который может быть выполнен в виде кристалла InAs при длине волны фемтосекундного лазерного излучения 775 нм или в виде кристалла InSb при длине волны фемтосекундного лазерного излучения 1550 нм, рядом с краем металлической маски 10 формируется резкий градиент освещения фемтосекундным лазерным излучением 2. Градиент освещения при поглощении фемтосекундного лазерного излучения 2 в кристаллическом полупроводнике 11 приводит к формированию максимально резкого градиента плотности фотовозбужденных носителей заряда 12, а доля интенсивности пучка лазерного излучения, отраженного от металлической маски 10, минимальна. Вектор градиента концентрации фотовозбужденных носителей заряда 13 сонаправлен с вектором импульсного тока, формируемого в соответствии с эффектом Дембера и приводящего к генерации терагерцового излучения 5, которое излучается перпендикулярно вектору градиента концентрации фотовозбужденных носителей заряда 13 и соответственно поверхности кристаллического полупроводника 11 в направлении, противоположном направлению распространения фемтосекундного лазерного излучения 2. Так как векторы градиентов концентраций фотовозбужденных носителей заряда 13 каждого элементарного эмиттера 9 сонаправлены, векторы терагерцового излучения 5 также сонаправлены, и их амплитуды суммируются, формируя общий пучок.
Таким образом, за счет снижения потерь фемтосекундного лазерного излучения 2 на отражение от металлической маски 10 и увеличения его поглощения в кристаллическом полупроводнике 11 возрастает коэффициент преобразования фемтосекундного лазерного излучения 2 в терагерцовое излучение 5 и достигается технический эффект заявляемого изобретения.
Преимуществом заявляемого многоэлементного генератора терагерцового излучения является также возможность использования металлической маски с простой формой профиля полос, позволяющей упростить производство генератора и снизить его стоимость.