ИСТОЧНИК ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к когерентной и нелинейной оптике и может быть использована в качестве источника широкополосного терагерцового излучения в высокочувствительных приборах спектроскопии, (био)сенсорики, микроскопии и имиджинга.
В настоящей заявке рассматривается источник терагерцового излучения, основанный на получении широкополосного терагерцового излучения в результате возбуждения всплесков фототока в полупроводниковом слое, подвергаемом воздействию фемтосекундных лазерных импульсов по известной схеме на отражение (см., например фиг.1 в описании изобретения в заявке WO №2009/138688 А1, G02F 1/35, G01N 21/63, G02F 1/355, 2009), а также снабженный для усиления терагерцового излучения прилегающей к указанному полупроводниковому слою линзой (см., например фиг.2с и 3с в описании изобретения к заявке WO №03/014823, А1, G02F 1/35, H01Q 9/00, 2003 или фиг.1 в статье на англ. яз. М.Nakajima, К.Uchida, М.Tani and M.Hangyo. «Strong enhancement of terahertz radiation from semiconductor surfaces using MgO hemispherical lens coupler.» - APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.85, No.2, 2004, p.191).
Представляя собой новое приборостроительное направление изготовление источников терагерцового излучения сопряжено с проблемой разработки технологичной конструкции оптико-терагерцового преобразователя рассматриваемого источника и оптимального выбора функционально эффективных материалов конструктивных элементов такого преобразователя, в связи с чем в статье на англ. яз. М.I.Bakunov, R.V.Mikhaylovskiy and M.Tani «Strong interference enhancement of terahertz emission from a photoexcited semiconductor surface.» - OPTICS EXPRESS, Vol.18, No.21, 2010 предложен выбранный заявителем в качестве прототипа источник терагерцового излучения на основе лазера с генерацией фемтосекундных импульсов и оптико-терагерцового преобразователя (см. в указанной статье fig.1), содержащего последовательно расположенные со стороны воздействия лазерного пучка прозрачную к нему гиперполусферическую терагерцовую линзу, выполненную из MgO или сапфира, и чувствительный к фемтосекундным лазерным импульсам рабочий полупроводниковый слой InAs с возможностью возбуждения в нем приповерхностных всплесков фототока, приводящих к широкополосному терагерцовому излучению по схеме на отражение, и снабженного размещенным с его обратной стороны экраном, отражающим терагерцовое излучение и выполненным в виде металлизированной обратной поверхности рабочего слоя.
Выбранный прототип характеризуется недостаточно высокой технологичностью конструкции оптико-терагерцового преобразователя в связи с производственной трудностью обеспечения требуемого качества (с низким содержанием микроструктурных дефектов, являющихся причиной нежелательного поглощения терагерцового излучения) граничной поверхности раздела рабочего полупроводникового слоя и терагерцовой линзы из-за разнородности их материалов с различными постоянными кристаллической решетки и группами их симметрии.
Технический результат заявляемой полезной модели - повышение стабильности качества изготавливаемых источников терагерцового излучения в результате улучшения технологичности (обеспечиваемого введением буферного подслоя) его оптико-терагерцового преобразователя за счет усовершенствования конструкции преобразователя, расширяющей возможности оптимального подбора материалов его конструктивных элементов при обеспечении высокой эффективности выхода рабочего терагерцового излучения источника.
Заявляемый источник расширяет также приборный арсенал источников излучения в актуальном терагерцовом диапазоне.
Для достижения указанного технического результата в источнике терагерцового излучения на основе лазера с генерацией фемтосекундных импульсов и оптико-терагерцового преобразователя, содержащем последовательно расположенные со стороны воздействия лазерного пучка прозрачную к нему гиперполусферическую терагерцовую линзу и чувствительный к фемтосекундным лазерным импульсам рабочий полупроводниковый слой с возможностью возбуждения в нем приповерхностных всплесков фототока, приводящих к широкополосному терагерцовому излучению по схеме на отражение, и снабженного размещенным с его обратной стороны экраном, отражающим терагерцовое излучение, экран оптико-терагерцового преобразователя выполнен в виде подложки из высоколегированного полупроводника с плазменной частотой, многократно, предпочтительно в пределах интервала 10-30 раз, превышающей частоту вырабатываемого терагерцового излучения, а рабочий полупроводниковый слой сформирован на буферном подслое нелегированного полупроводника, имеющем микроструктуру, снижающую искажения формирования решетки указанного рабочего слоя, и нанесенном на поверхность упомянутой подложки.
18
-3
При выполнении рабочего полупроводникового слоя из InAs, гиперполусферической терагерцовой линзы из сапфира или MgO, экрана из GaSb с концентрацией легирования теллуром 10 см и буферного подслоя из нелегированного GaSb, рабочий полупроводниковый слой может иметь толщину 500 нм, экран - 500 мкм и буферный подслой - 200 нм.
Ц
П/Сф
П/Сф
Для усиления выходного рабочего терагерцового излучения гиперполусферическая терагерцовая линза предпочтительно должна быть выполнена в виде полусферы - рабочей части, сопряженной с цилиндром - тыльной частью, имеющим длину l=0,18R и радиус, равный радиусу полусферы R.
Буферный подслой оптико-терагерцового преобразователя может быть выполнен одинарным или состоящим из нескольких слоев в зависимости от подбора материалов рабочего полупроводникового слоя и экрана.
На фиг.1 схематически показана конструкция оптико-терагерцового преобразователя в составе заявляемого источника терагерцового излучения; на фиг.2 - гиперполусферическая терагерцовая линза на фиг.1 с ее геометрическими характеристиками.
В состав предлагаемого источника терагерцового излучения входят оптический блок лазера с генерацией фемтосекундных импульсов (на фигурах не показан) и оптико-терагерцовый преобразователь (см. фиг.1), содержащий последовательно расположенные со стороны воздействия лазерного пучка прозрачную к нему гиперполусферическую терагерцовую линзу 1, чувствительный к фемтосекундным лазерным импульсам рабочий полупроводниковый слой 2, буферный (технологический) подслой 3 нелегированного полупроводника, имеющего микроструктуру, снижающую искажения формирования решетки нанесенного на его поверхность указанного рабочего слоя, и экран 4, отражающий терагерцовое излучение и выполненный для этого в виде подложки из высоколегированного полупроводника с плазменной частотой, многократно, предпочтительно в пределах 10-30 раз, превышающей частоту вырабатываемого терагерцового излучения, причем на ее поверхность нанесен указанный подслой 3.
18
-3
В настоящем примере выполнения гиперполусферическая терагерцовая линза 1 выполнена из сапфира (может быть выполнена из MgO), рабочий полупроводниковый слой 2 - из InAs толщиной 500 нм, буферный подслой 3 - из нелегированного GaSb толщиной 200 нм и экран 4 - из GaSb с концентрацией легирования теллуром 10 см толщиной 500 мкм.
Ц
П/Сф
П/Сф
При этом линза 1 (см. фиг.2) выполнена в виде полусферы 5 - рабочей части, сопряженной с цилиндром 6 - тыльной частью, имеющим длину l=0,18R и радиус, равный радиусу полусферы R.
В случае подбора иных полупроводниковых материалов буферный подслой 3 может быть выполнен составным - состоящим из нескольких слоев - прослоек для обеспечения микроструктурного условия снижения искажений формирования решетки рабочего слоя 2 на подложке - экране 4.
Заявляемый источник терагерцового излучения работает следующим образом.
Фемтосекундный импульс титан-сапфирового лазера (см. фиг.1) фокусируется на поверхность рабочего полупроводникового слоя 2 (InAs) непосредственно через сапфировую гиперполусферическую линзу 1. В слое 2 (InAs) возникает импульс тока вдоль направления нормали к поверхности этого слоя, вызванный разноскоростной диффузией электронов и дырок вглубь слоя. Данный импульс тока порождает электромагнитное излучение в терагерцовом диапазоне частот.
Экран 4, представляющий собой подложку с высокой концентрацией легирования, обеспечивает конструктивную интерференцию терагерцовых волн, излученных в линзу 1 непосредственно из рабочего полупроводникового слоя 2 и после отражения от экрана 4. В силу тонкости рабочего полупроводникового слоя 2 (500 нм) по сравнению с длиной волны терагерцового излучения (30-300 мкм) конструктивный характер интерференции сохраняется для широкого спектра терагерцовых частот (1-10 ТГц).
При этом дополнительное увеличение терагерцового выхода связано с малостью разности показателей преломления InAs (слой 2) и сапфира (линза 1).
Повышение технологичности конструкции оптико-терагерцового преобразователя, улучшающего производственно-технические показатели предлагаемого источника терагерцового излучения, обеспечивается конструктивной новизной указанного преобразователя, который содержит рабочий полупроводниковый слой 2 из InAs толщиной 500 нм, выращенный на полупроводниковой подложке - экране 4 из легированного теллуром GaSb с буферным подслоем 3 из нелегированного GaAs и прилегающую к подложке сапфировую гиперполусферическую линзу 1.
e
e
0
0
p
InAs
18
-3
2
Причем концентрация легирования подложки - экрана 4 N=10 см обеспечивает его плазменную частоту  (m*=0,041 m, ε=15,7), диэлектрическую проницаемость ε=ε[1-(ν/ν)]≈-1950 на частоте ν=1 ТГц, коэффициент отражения для нормального падения  (n - показатель преломления рабочего слоя 2, равный 3,8 для InAs).
18
-3
Так как мнимая часть коэффициента отражения много меньше его действительной части, отраженная волна находится практически точно в противофазе с падающей волной, т.е. присутствует конструктивная интерференция падающей и отраженной волн. Для скользящих углов падения мнимая часть коэффициента отражения уменьшается по сравнению со случаем нормального падения (для излучения s-поляризации), обеспечивая лучшую по сравнению со случаем нормального падения конструктивную интерференцию. При больших, чем 10 cм, концентрациях легирования, плазменная частота становится больше и соотношение мнимой и действительной части коэффициента отражения меньше, поэтому данное значение концентрации можно расценивать как минимально рекомендуемое.
Ц
П/Сф
П/Сф
Геометрические характеристики гиперполусферической терагерцовой линзы 1 (см. фиг.2), состоящей из рабочей части - полусферы 5 и тыльной части - цилиндра 6, имеющего длину l=0,18R и радиус, равный радиусу полусферы R, обеспечивают необходимые фокусировку и усиление выходного терагерцового излучения (см. обоснование в статье на англ. яз. М.I.Bakunov, R.V.Mikhaylovskiy and М.Tani «Strong interference enhancement of terahertz emission from a photoexcited semiconductor surface.» - OPTICS EXPRESS, Vol.18, No.21, 2010).
2
Кроме того, подложка-экран 4 служит основой для выращивания буферного подслоя 3, на котором, в свою очередь, выращивается рабочий слой 2. Наличие согласующего буферного слоя между подложкой и рабочим слоем позволяет обеспечить низкую концентрацию дефектов в рабочем слое и подвижность носителей более 37000 см/(В с). Вместе с тем наличие буферного подслоя 3 не влияет на электродинамический процесс возбуждения терагерцового излучения, поскольку толщина подслоя 3 (200 нм) является пренебрежимо малой по сравнению с длиной волны терагерцового излучения в материале подслоя (порядка 100 мкм).
-7
Экспериментально оцененная эффективность излучения в вышеизложенном примере выполнения источника терагерцового излучения составила 7·10 при энергии импульса 4 нВт и длительности импульса 90 фс (центральная длина волны - 800 нм).
Таким образом заявляемый источник терагерцового излучения характеризуется повышенной технологичностью конструкции его оптико-терагерцового преобразователя с высокой эффективностью терагерцового излучения источника в целом.