Утолщение электрода повысило эффективность получения терагерцевого излучения

Российские ученые разработали терагерцовый излучатель, используемый в системах спектроскопии. С одной стороны, это часть элементной базы приборов, широко используемых в исследованиях и в промышленности, которые необходимо импортозаместить. С другой, предложенная разработка имеет более высокий КПД, чем у имеющихся на рынке западных аналогов.

При увеличении толщины решетки антенны мощность получаемого на выходе излучения возрастает на 60%
Источник: Пресс-служба МФТИ

Спектрометр — прибор, широко используемый в самых различных областях: от научных исследований, контроля качества на производстве, экологии до пищевой промышленности, сельского хозяйства и археологии. В большинстве своем до последнего времени эти приборы закупали за рубежом. Сегодня перед российскими инженерами поставлена задача создания собственной линейки приборов. Для ее решения ведущие вузы по инициативе МФТИ объединились в консорциум по развитию отечественного научного приборостроения. Создание элементной базы — важная часть этой работы.

Группа ученых 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 разрабатывает оптоэлектронную составляющую для отечественного спектрометра с уникальными характеристиками. Сам прибор состоит из излучателя, который воздействует на исследуемый объект импульсом излучения определенной частоты, и приемника, который регистрирует получаемый в результате спектр. Есть традиционные подходы к созданию фотопроводящих терагерцовых излучателей. Принцип работы у них следующий: излучатель очень короткими фемтосекундными импульсами возбуждает электроны в полупроводнике, в результате возникает ток, электроны текут к одному контакту, дырки — к другому. Этот ток является генератором терагерцового излучения.

Дмитрий Пономарев, заместитель директора ИСВЧПЭ РАН, старший научный сотрудник лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ, инициатор работы, поясняет: «Антенный элемент расположен на полупроводнике. Под действием фемтосекундных импульсов происходит генерация терагерцового излучения. Так работают традиционные фотопроводящие терагерцовые излучатели. Но у них есть проблемы: низкая мощность и низкая конверсия, или, можно сказать, КПД. Например, вы вкачиваете излучение лазера в полупроводник. Вкачали 100%, а на выходе у вас лишь 0,02% перешло в терагерцы. Мы стараемся с каждым нашим последующим исследованием эту конверсию повышать».

Для увеличения конверсии ученые использовали электроды антенны в форме решетки с субволновыми размерами. Считается, что такая решетка должна быть планарной, то есть пленкой толщиной в пределах 100 нм. Авторы исследования предложили новую форму электродов. Сначала численными методами показали, что высота или толщина металлизации решетки серьезно влияют на излучаемые характеристики. Затем сделали элемент с толщиной электродов 170 нм. Мощность значительно возросла.

Дмитрий Пономарев рассказывает: «Мы сделали толщину электродов 170 нм. 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. Возбуждаются более высокие моды плазменных колебаний, которые приводят к сильному перераспределению энергии в полупроводнике. А это ведет к тому, что большее количество электронов высвобождается. Соответственно, увеличивается ток и увеличивается излучаемая мощность».

Учеными разработана геометрия решетки с учетом максимального пропускания падающего оптического света и определены оптимальные параметры конструкции решетки. Изготовленный плазмонный излучатель эффективно работает с маломощным лазерным возбуждением. Данная разработка будет востребована в современных терагерцовых спектроскопических и высокоскоростных приложениях визуализации.
Источник: Пресс-служба МФТИ

«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

Дорога молодым — в науку. Экспертный совет оценит заявку каждого

В конце июня РНФ завершил отчетный период по очередной волне конкурсов Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми. В этом году исполнилось пять лет с тех пор, как программа была запущена, и сейчас есть смысл разобраться, что задумывалось и что получилось, а что нет и почему. По просьбе редакции для наших читателей об итогах пяти лет Президентской программы рассказывает председатель Экспертного совета РНФ академик РАН Александр ­КЛИМЕНКО:

— Главной целью программы, запущенной в 2017 году, изначально декларировалась поддержка молодежи в науке — тех, кто, сделав первый шаг, защитив диссертацию и удостоившись степени кандидата наук (PhD в английском варианте), оказывается на некоем плато, раздумывая, куда двигаться дальше. И вот тут появляется Российский научный фонд со своей программой поддержки молодых постдоков, предоставляя шанс стать победителями конкурсов и получить средства на «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» (первое мероприятие программы). Грант индивидуальный, предусматривает двухлетнее финансирование в объеме 1,5 миллиона рублей каждый год. Второе мероприятие программы — конкурс «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых». Здесь предоставляются более существенные гранты — сначала они были до 5 миллионов рублей в год на три года, а теперь увеличены до 6 миллионов. Да еще с возможностью продления на 2 года, если дела у научной группы пойдут как следует.

— А как следует?
— Будут выполнены показатели работы, в основном публикации в высокорейтинговых журналах WoS и Scopus, и отчеты приняты с высокой оценкой экспертов. Тогда руководитель гранта по второму мероприятию программы может подать заявку на двухлетнее продление исследования. Это дает ему возможность, не останавливаясь на достигнутом, двигаться в фундаментальном поиске дальше. Обобщая сделанное Фондом по этой программе, могу с удовлетворением отметить масштабы работы: ежегодно поддерживаются около 500 ученых в возрасте до 33 лет по индивидуальным грантам и в зависимости от того, как складывается бюджет Фонда, — от 300 до 400 научных групп. А еще с 2020 года появились конкурсы продления проектов. Важно, что эти три конкурса проходят одновременно, и нам, Экспертному совету, поставлена четкая задача Попечительским советом: выбрать лучшие заявки, которые соответствуют высоким требованиям Фонда, за поддержку которых потом не будет стыдно. И для этого нам дана возможность перераспределять деньги между разными конкурсами при фиксированной общей сумме на все три конкурса в целом. Это одна из причин, почему число победителей по конкурсам оказывается разным по годам. Другая состоит в том, что выделяемые на программу средства, как и в целом на РНФ, меняются год от года в зависимости от наполненности бюджета РФ. В итоге число победителей по ПП1 (так зовется конкурс индивидуальных грантов) составило: 2017-й — 504, 2019-й — 494, 2021-й — 469, 2022-й — 505. А по ПП-2 (конкурс групп) поддержано в 2017-м — 239, в 2018-м — 313, в 2020-м — 220, в 2021-м — 318, в 2022-м — 403. Последний конкурс 2022 года был самым «богатым». Если учесть, что по сравнению с первым годом существования программы грант по группам вырос до 6 миллионов в год, то ясно, почему в этом году общее финансирование (а сюда еще надо добавить конкурс продления) достигло впечатляющей цифры — более 4 миллиардов рублей в расчете на год. Вот в эту летнюю сессию Экспертный совет своим решением, которое потом было утверждено Правлением, распределил весьма серьезные средства среди грантов для молодых ученых.

Сапфировые волокна повысили мощность терагерцового излучения

Российские исследователи совместно с японскими коллегами разработали новый метод, который позволяет увеличить мощность терагерцовых излучателей. В будущем это повысит КПД устройств на их основе, которые могут применяться в биологических исследованиях, медицинской диагностике и системах связи 5G. Работа опубликована в журнале Optics Letters.

Терагерцовое излучение находится в промежутке между инфракрасным и микроволновым диапазонами, что объясняет его особые свойства. Оно не только может поглощаться водой и тканями живых организмов, но и способно проникать сквозь материалы-диэлектрики (пластик, керамика). Эксперименты показали, что терагерцовое излучение безопасно для живых организмов, что открывает перспективы его применения в медицине и биологических исследованиях, а также в системах связи 5G. Именно поэтому ученые активно занимаются разработкой методов, которые позволяют генерировать и детектировать терагерцовое излучение.

В своей работе ученые использовали фотопроводящую антенну (ФПА), которая генерирует терагерцовое излучение. Она представляет собой нанесенные на полупроводниковую пластинку два металлических электрода. Между ними располагается зазор, в котором запасена электрическая энергия. Именно из нее генерируется энергия терагерцового импульса. Исследователи поместили на лицевой стороне поверхности ФПА линзы, изготовленные из сапфирового волокна. Такие линзы имеют высокое значение коэффициента преломления. Теоретический расчет и моделирование показали, что в такой установке энергия импульса перераспределится в пространстве. При этом интенсивность электромагнитных волн увеличится в 40 раз. Это, в свою очередь, повышает мощность терагерцового излучения. При этом КПД ФПА возрастет в 7–10 раз, что увеличит эффективность устройств на основе этой технологии.

«Наша разработка ляжет в основу создания систем терагерцовой спектроскопии и визуализации, которые важны в ряде областей, включая создание систем неинвазивной диагностики раковых опухолей и высокоскоростной передачи информации на основе 5G и 6G», — подвел итог Дмитрий Пономарев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заместитель директора ИСВЧПЭ РАН.

Автор: Олеся Фарберович

В журнале Электроника НТБ 10/2020 опубликована обзорная статья Р.А. Хабибуллина

В журнале Электроника НТБ 10/2020 опубликована обзорная статья Р.А. Хабибуллина «Квантово-каскадные лазеры терагерцового диапазона в России: современное состояние и перспективы»

Review QCL (.pdf)