ОПТИКО-ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL-TERAHERTZ CONVERTER

Изобретение относится к аппаратурной составляющей источников терагерцового излучения - оптико-терагерцовым преобразователям, основанным на преобразовании энергии оптических пучков фемтосекундных импульсных лазеров в энергию рабочего широкополосного терагерцового излучения и представляющим собой базовый приборный узел по выработке указанного излучения, и может быть использовано в составе источников терагерцового излучения для высокочувствительного оборудования спектроскопии, (био)сенсорики, микроскопии и имиджинга.
Оптико-терагерцовый преобразователь, рассматриваемый в настоящей заявке, функционирует (вырабатывает широкополосное терагерцовое излучение) в результате оптического возбуждения фемтосекундными лазерными импульсами сверхбыстрых всплесков приповерхностного тока в чувствительном к указанным импульсам слое полупроводника - рабочем конструктивном элементе преобразователя, приводящих к широкополосному излучению по известной схеме на прохождение с поглощением этим полупроводниковым слоем лазерных импульсов (см., например, статью на англ. яз. СТ. Que, Т. Edamura, М. Nakajima, М. Tani and М. Hangyo. Terahertz Radiation from InAs Films on Silicon Substrates Excited by Femtosecond Laser Pulses. - Japanese Journal of Applied Physics, 2009, 48.010211.1-3).
Реализуя схему на прохождение - одну из двух основных разновидностей схем: на отражение и на прохождение (см. схему на отражение, например в статье на англ. яз. М. Nakajima, К. Uchida, М. Tani and М. Hangyo. «Strong enhancement of terahertz radiation from semiconductor surfaces using MgO hemispherical lens coupler.» - APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.85, No. 2, 2004, p.191 или на фиг.1 в описании изобретения в заявке WO №2009/138688А1, G02F1/35, G01 N21/63, G02F1/355, 2009) рассматриваемый оптико-терагерцовый преобразователь в сравнении с оптико-терагерцовым преобразователем по схеме на отражение, менее технологичным в реализации высокочувствительных приборов, а также с низкоэффективным разделением на выходе вырабатываемого терагерцового излучения и оптического лазерного пучка, в уровне техники характеризуется более высокой динамикой патентования, например в приборах, в основном с преобразователями, имеющими дополнительные электрические (микроантенные) средства усиления вырабатываемого терагерцового излучения (см. схему на прохождение в оптико-терагерцовых преобразователях в составе источников терагерцового излучения, например в патентах US №5789750, G01N 21/17, 1998; №7498593, A61N 5/06, G01J 3/10, H05G 2/00, 2009; №7605371, G01J 3/02, 2009; №7965440, G02F 2/02, H01S 3/10, 2011).
Для улучшения условий выхода терагерцового излучения в схемах «на отражение» (и «на прохождение») используют также мощные (порядка нескольких тесла) постоянные магнитные поля, прикладываемые к рабочему полупроводниковому слою и эффективно разворачивающие возбуждаемый лазерным импульсом нестационарный диполь, что ведет к увеличению интеграла перекрытия диаграммы направленности вырабатываемого терагерцового излучения и конуса выхода такого излучения, приводя, таким образом, к увеличению эффективности работы преобразователя (см. в статье на англ. яз. J. Shan, С.Weiss, R. Wallenstein, R. Beigang, and T. F. Heinz. Origin of magnetic field enhancement in the generation of terahertz radiation from semiconductor surfaces. - Optics Letters, 2001, Vol.26, Issue 11, p.849-851). Оптико-терагерцовые преобразователи, основанные на эффекте возбуждения сверхбыстрых всплесков фототока с приложением магнитного поля, обеспечивают рекордную (в рабочем слое InAs с приложением магнитного поля выход терагерцового излучения в 7 раз выше, чем с применением микроантенного средства усиления) эффективность оптико-терагерцового преобразования на частотах ниже и порядка 1 ТГц (см. статью Назарова М.М. и др. Выбор нелинейных оптических и полупроводниковых преобразователей фемтосекундного лазерного импульса в терагерцовый дипазон. - Известия вузов. «Радиофизика». 2009, Т.52, с.595-606).
Несмотря на известность изложенных дополнительных средств повышения эффективности получения терагерцового излучения с помощью оптико-терагерцового преобразователя, последний, в частности преобразователь по схеме на прохождение без указанных средств, практически интересен в исполнении с повышенным выходом вырабатываемого терагерцового излучения и актуален в связи со спросом на расширение арсенала приборных средств в виде источников терагерцового излучения с усиленным излучением под задачи развития исследовательской тематики в сфере расширяющегося современного применения терагерцового излучения, а также на возможность совместимости таких источников с изложенными выше дополнительными средствами повышения эффективности их функционирования.
Известный аналог (см. фиг.2 в описании изобретения в заявке WO №2009/138688А1, G02F 1/35, G01N 21/63, G02F 1/355, 2009) получения терагерцового излучения с помощью оптико-терагерцового преобразователя по схеме на прохождение характеризуется не только неулучшенной эффективностью получения терагецового излучения - отсутствием повышения его выхода, но и ухудшенным разделением оптического пучка и терагерцового излучения из-за особенностей исполнения конструкции преобразователя на основе стекла и кремния.
Известен аналог заявляемого оптико-терагерцового преобразователя (см. статью на англ. яз. M.I. Bakunov, R.V. Mikhaylovskiy, М. Tani, СТ. Que. А structure for enhanced terahertz emission from a photoexcited semiconductor surface. - Applied Physics B, 2010, 100, p. 695-698), выбранный заявителем в качестве прототипа и содержащий рабочий полупроводниковый слой (InAs), чувствительный к фемтосекундным лазерным импульсам с возможностью обеспечения приповерхностных всплесков фототока, приводящих к широкополосному терагерцовому излучению по схеме на прохождение с поглощением указанным рабочим полупроводниковым слоем лазерных импульсов, и размещенную на выходе вырабатываемого терагерцового излучения гиперполусферическую терагерцовую линзу из кремния, а также снабженный для повышения выхода терагерцового излучения средством экранирования распространения вырабатываемого терагерцового излучения в направлениях навстречу воздействию лазерного пучка, представляющим собой расположенный со стороны воздействия лазерного пучка металлический экран, выполненный с отверстием для пропускания лазерного пучка сквозь него.
Указанный прототип имеет ограниченные возможности повышения выхода вырабатываемого терагерцового излучения из-за малого диаметра отверстия (5-10 мкм), необходимого для осуществления данной схемы на прохождение с повышением выхода рабочего терагерцового излучения, ограничивающего в свою очередь возможность повышения мощности лазерного пучка для дополнительного повышения выхода искомого терагерцового излучения, и снижающего надежность преобразователя в связи с технологическими при изготовлении и эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к точным размерам малого отверстия.
Кроме того, прототип не совместим с усилением вырабатываемого терагерцового излучения наложением магнитного или электрического поля в связи с металлическим экраном.
Технический результат заявляемого изобретения - устранение изложенных выше недостатков прототипа за счет создания выигрышных (без входного отверстия для лазерного пучка) конструктивных условий повышения выхода рабочего терагерцового излучения в результате его экранирования в направлениях навстречу воздействию лазерного пучка (с помощью экрана, пропускающего лазерный пучок и, одновременно, отражающего вырабатываемое рабочее терагерцовое излучение), снимающих ограничения увеличения мощности лазерного пучка, резервно повышающего рабочий выход терагерцового излучения, обеспечения функциональной совместимости заявляемого преобразователя как с электрическим, так и магнитным методом дополнительного усиления вырабатываемого рабочего терагерцового излучения и повышения надежности преобразователя.
Заявляемый оптико-терагерцовый преобразователь, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных источников терагерцового излучения с повышенным выходом рабочего терагерцового излучения.
Для достижения указанного технического результата в оптико-терагерцовом преобразователе, содержащем рабочий полупроводниковый слой, чувствительный к фемтосекундным лазерным импульсам с возможностью обеспечения приповерхностных всплесков фототока, приводящих к широкополосному терагерцовому излучению по схеме на прохождение с поглощением указанным рабочим полупроводниковым слоем лазерных импульсов, и размещенную на выходе вырабатываемого терагерцового излучения гиперполусферическую терагерцовую линзу, а также снабженном средством экранирования распространения вырабатываемого терагерцового излучения в направлениях навстречу воздействию лазерного пучка, указанное средство экранирования представляет собой экран, выполненный из материала, прозрачного к лазерному пучку и отражающего вырабатываемое терагерцовое излучение, и расположенный со стороны воздействия лазерного пучка с возможностью пропускания последнего сквозь него.
18
-3
В частном случае выполнения предлагаемого преобразователя экран терагерцового излучения выполнен в виде полупроводниковой подложки с плазменной частотой прозрачного к лазерному пучку материала подложки, в 10-30 раз превышающей частоту генерируемого терагерцового излучения, например из GaP с концентрацией легирования теллуром 10 см, толщиной, задаваемой технологическими и прочностными условиями, определяющими величину от 100 микрометров до нескольких миллиметров, с нанесенным на нее рабочим полупроводниковым слоем, например слоем InAs толщиной 500 нм, и к последнему прилегает гиперполусферическая терагерцовая линза, выполненная, например, из кремния.
Ц
П/Сф
П/Сф
При этом рекомендуемое выполнение гиперполусферической терагерцовой линзы - в виде полусферы - рабочей части, сопряженной с цилиндром - тыльной частью, имеющим длину l=о,18R и радиус, равный радиусу полусферы R.
На фиг.1 показан схематически заявляемый оптико-терагерцовый преобразователь; на фиг.2 - геометрические характеристики гиперполусферической терагерцовой линзы на фиг.1; на фиг.3 - сравнительные расчетные кривые зависимости мощности рабочего терагерцового излучения в единичный телесный угол, Р(9) от угла 8 - между нормалью к рабочему полупроводниковому слою и направлением распространения рабочего терагецового излучения, подтверждающие повышение выхода последнего в результате его экранирования в направлениях навстречу воздействию лазерного пучка.
Заявляемый оптико-терагерцовый преобразователь (см. фиг.1) содержит экран 1, прозрачный к лазерному пучку и отражающий вырабатываемое терагерцовое излучение, рабочий полупроводниковый слой 2 и гиперполусферическую терагерцовую линзу 3.
18
-3
В примере выполнения экран 1 выполнен в виде полупроводниковой подложки с плазменной частотой прозрачного к лазерному пучку материала подложки, в 10-30 раз превышающей частоту генерируемого терагерцового излучения, в частности из GaP с концентрацией легирования теллуром 10 см, толщиной, задаваемой технологическими и прочностными условиями, определяющими величину от 100 микрометров до нескольких миллиметров, в данном примере составляющую 500 мкм. На экран 1 - подложку нанесен рабочий полупроводниковый слой 2 из InAs толщиной 500 нм.
Ц
П/Сф
П/Сф
К рабочему слою 2 из InAs прилегает гиперполусферическая терагерцовая линза 3 (см. фиг.2), выполненная из кремния в виде полусферы 4 - (внешней) рабочей части, сопряженной с цилиндром 5 - (внутренней - непосредственно прилегающей к рабочему слою 2) тыльной частью. Цилиндр 5 имеет длину l=0,18 R и радиус, равный радиусу полусферы R.
Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь функционирует следующим образом.
18
-3
Ультракороткий импульс титан-сапфирового лазера фокусируется на поверхность рабочего слоя 2 из InAs (см. фиг.1) сквозь экран 1 - подложку. Экран 1 - подложка прозрачен для оптического излучения, так как плазменная частота полупроводникового материала (GaP с концентрацией легирования теллуром 10 см) экрана 1 - подложки на два порядка меньше частоты оптического излучения и ширина запрещенной зоны этого полупроводникового материала больше, чем энергия кванта оптического излучения.
Под воздействием лазерного импульса в приповерхностном подслое рабочего слоя 2 из InAs формируется кратковременный импульс тока в направлении нормали к поверхности рабочего слоя 2, являющийся источником широкополосного терагерцового излучения.
Плазменная частота полупроводникового материала экрана 1-подложки в несколько раз больше, чем частота терагерцового излучения, поэтому происходит отражение терагерцового излучения от указанной легированной подложки. Благодаря этому экран 1-подложка обеспечивает конструктивную интерференцию терагерцовых волн, излученных в линзу 3 непосредственно из рабочего полупроводникового слоя 2 и после отражения от экрана 1-подложки.
Гиперполусферическая линза 3 обеспечивает эффективный вывод и коллимацию терагерцового излучения в результате использования ее оптимальных геометрических характеристик, выведенных в статье - указанном выше информационном источнике со сведениями о прототипе (статья на англ. яз. M.I. Bakunov, R.V. Mikhaylovskiy, М. Tani, СТ. Que. А structure for enhanced terahertz emission from…).
Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь, также как прототип, обеспечивает повышение выхода рабочего терагерцового излучения в результате его экранирования в направлениях навстречу воздействию лазерного пучка.
18
-3
2
<mrow><msub><mi>ν</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>e</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>N</mi><mi>e</mi></msub><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mi>m</mi><mo>*</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt><mo>≈</mo><mn>9,9</mn><mtext> </mtext><mi>Т</mi><mi>Г</mi><mi>Ц</mi></mrow>
<mrow><mi>R</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>I</mi><mi>n</mi><mi>A</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>I</mi><mi>n</mi><mi>A</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>≈</mo><mn>0,97</mn><mo>+</mo><mn>0,23</mn><mi>i</mi></mrow>
e
0
0
p
Легирование полупроводникового материала экрана 1 подложки обеспечивает отражение терагерцового излучения от указанной подложки (конструктивную интерференцию терагерцовых волн, излученных в линзу непосредственно из полупроводникового слоя и после отражения от подложки), т.к. концентрация легирования материала такой подложки N/e=3×10 см обеспечивает плазменную частоту
ТГц (m*=0,22 m, ε=11,1), диэлектрическую проницаемость ε=ε[1-(ν/ν)]≈-1090 на частоте ν=1 ТГц, коэффициент отражения для нормального падения
.
20
-3
р
Концентрация легирования материала этой же подложки N/e=10 см обеспечивает плазменную частоту ν≈57 ТГц, диэлектрическую проницаемость ν≈-37000 на частоте v=1 ТГц, коэффициент отражения для нормального падения R≈0,99+0,04i.
18
-3
20
-3
20
-3
При этом в интервале концентрации легирования от N/e=3×10 см до N/e=10 см диэлектрическая проницаемость для лазерного излучения с центральной частотой 375 ТГц меняется незначительно по сравнению с прозрачным нелегированным полупроводником - GaP, имеющим ширину запрещенной зоны приблизительно 2,1 эВ, при условии, что сужение запрещенной зоны при концентрации легирования N/е=10 см не превышает 0,2 эВ.
Поэтому полупроводник GaP остается прозрачным к оптическому излучению при наличии легирующей примеси и одновременно отражает терагерцовое излучение.
В упомянутом информационном источнике со сведениями о прототипе проведено расчетное обоснование, наглядно представленное кривыми 1 и 2 (см. фиг.3), представляющими сравнительные расчетные кривые зависимости мощности рабочего терагерцового излучения в единичный телесный угол, P(θ) от угла 8 между нормалью к рабочему полупроводниковому слою 2 (дополнительный слой кремния в данной статье конструктивно выполняет роль составной части кремниевой линзы 3) и направлением распространения рабочего терагецового излучения с экранированием (кривая 1) и без экранирования (кривая 2), и подтверждающее резкое (приблизительно в 200 раз) повышение выхода последнего в результате его экранирования в направлениях навстречу воздействию лазерного пучка.
Расчет мощности излучения P(θ) выполнен на основе вычисления вектора Пойнтинга с подстановкой значений электрического и магнитного полей, полученных с помощью уравнений Максвелла и теоремы взаимности Лоренца (см. указанный инф. источник со сведениями о прототипе).
Таким образом, предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь обеспечивает повышение выхода рабочего терагерцового излучения без использования в нем входного отверстия для лазерного пучка, предусмотренного в прототипе, и поэтому осуществляет выигрышные конструктивные условия повышения выхода рабочего терагерцового излучения в результате его экранирования в направлениях навстречу воздействию лазерного пучка (с помощью экрана, пропускающего лазерный пучок и, одновременно, отражающего вырабатываемое рабочее терагерцовое излучение), снимающие ограничения увеличения мощности лазерного пучка, резервно повышающего рабочий выход терагерцового излучения, и обеспечивающие функциональную совместимость заявляемого преобразователя как с электрическим, так и магнитным методом дополнительного усиления вырабатываемого рабочего терагерцового излучения, а также повышающие надежность преобразователя.
В настоящее время заявителем проводится подготовка к экспериментальной реализации заявляемого преобразователя.
Заявляемый оптико-терагерцовый преобразователь представляет собой усовершенствованный преобразователь, который, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных источников терагерцового излучения с повышенным выходом рабочего терагерцового излучения.