«Перераспределение энергии»: российские учёные создали мощный излучатель для ТГц-спектрометра

Российские учёные увеличили эффективность отечественного терагерцевого спектрометра на 60% по сравнению с иностранным аналогами. Добиться этого удалось за счёт модификации основного компонента прибора — излучателя. Это позволит не просто заместить импорт такого оборудования, а повысить мощность спектрометров. Такая аппаратура широко применяется для определения химического состава продуктов в пищевой промышленности, в научных изысканиях, экологических исследованиях, криминалистике и ряде других сфер.

Gettyimages.ru © Mordolff

Группа учёных из МФТИ, Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова РАН, МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН создала терагерцевый излучатель для спектрометров, превосходящий аналоги по эффективности на 60%. Разработка позволит не только наладить в будущем выпуск отечественных терагерцевых спектрометров, но и улучшить их характеристики по сравнению с импортными аппаратами. Об этом RT сообщили в пресс-службе МФТИ. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Optics Letters.

Напомним, спектрометры широко применяются для анализа химического состава продуктов и напитков в пищевой промышленности, определения возраста и подлинности произведений искусства, в научных и экологических исследованиях, а также в криминалистике. При этом большая часть спектрометров, включая терагерцевые, импортируется в Россию. Сейчас российские учёные разрабатывают оптоэлектронную составляющую для отечественного терагерцевого спектрометра.

Все спектрометры такого типа состоят из излучателя и приёмника и работают по принципу генерации терагерцевого излучения (ТГц-излучения). Это излучение относят к субмиллиметровому диапазону, его длина волны — около 1 мм и меньше. Чтобы его создать, необходимо возбудить электроны в полупроводнике с помощью особых коротких импульсов, например лазером. Возникший ток и генерирует излучение нужного диапазона.

Однако, по словам учёных, главная проблема подобных устройств — низкая эффективность. Обычно только малая доля исходных импульсов преобразуется в излучение, большая часть энергии теряется в процессе.

Рисунок. При увеличении толщины решетки антенны мощность получаемого на выходе излучения возрастает на 60%
© Пресс-служба МФТИ

Чтобы решить эту проблему, разработчики решили модифицировать электроды в излучателе. Обычно они представляют собой антенны в форме решётки с субволновыми размерами, толщина которой должна быть в пределах 100 нм. Авторы сначала провели численное моделирование и выяснили, что толщина электродов влияет на качество излучения. Затем они сделали элемент с электродами толщиной 170 нм — и мощность излучения увеличилась на 60%.

«Это поменяло принципиально всю физику работы. Мы показали, что возникает очень интересный эффект. Когда излучение попадает в тонкие щели между металлическими полосками, то эти щели служат волноводами для излучения накачки (перевод атомов в возбуждённое состояние за счёт энергии внешнего источника. — RT). Возбуждаются более высокие моды (типы колебаний. — RT) плазменных колебаний, которые приводят к сильному перераспределению энергии в полупроводнике. А это ведёт к тому, что большее количество электронов высвобождается. Соответственно, увеличивается ток и увеличивается излучаемая мощность», — пояснил в беседе с RT заместитель директора ИСВЧПЭ РАН, старший научный сотрудник лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ Дмитрий Пономарёв