Ученые предложили модель нового, более эффективного типа твердотельного терагерцового лазера

Ученые предложили модель нового, более эффективного типа твердотельного терагерцового лазера

Новости науки и техники Комментариев к записи Ученые предложили модель нового, более эффективного типа твердотельного терагерцового лазера нет

Ученые из Университета ИТМО и Владимирского государственного университета предложили модель нового твердотельного терагерцового лазера. Согласно исследованию такой лазер будет обладать более высоким КПД в сравнении с существующими устройствами, а также способностью плавной перестройки частоты излучения. В перспективе предложенная модель, в основе которой использование асимметричных квантовых точек на основе нитрида галлия, может положить начало изготовлению компактного твердотельного источника терагерцового излучения, перспективного для медицинских применений, систем безопасности и других областей. Результаты работы были впервые опубликованы в журнале ACS Photonics, также отдельный обзор об исследовании был включен в журнал Nature news and views.

Terahertz Lasing in Ensemble of Asymmetric Quantum Dots
We propose a scheme of terahertz laser based on an ensemble of asymmetric quantum dots dressed by an intense electromagnetic field. THz emission originates from the transitions at Rabi energy between the neighboring dressed states. For the amplification of the lasing mode, high-Q photonic crystal cavity tuned to terahertz range can be employed. Within the mean field approximation, the system is described by Maxwell–Bloch type equations, which account for inhomogeneous broadening and decoherence processes. The conditions for the onset of the lasing are determined, and emission intensity and quantum efficiency are obtained by numerical solution of the Langevin type stochastic equations, describing the generation of THz pulses. The energy gap between dressed levels is determined by the driving field intensity that implies the ability of flexible control over lasing parameters.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.7b00575

Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Оно особенно интересно тем, что беспрепятственно проходит сквозь большинство диэлектриков. Так, например, дерево, пластик, керамика для него являются прозрачными. Кроме того, в отличие, например, от рентгеновского излучения, оно абсолютно безопасно для организма человека.

Эти особенности делают терагерцовые источники крайне привлекательными для целой области практических применений. Например, ТГц излучение может использоваться в системах безопасности для сканирования багажа и людей. С его помощью можно обнаружить спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров. В медицинской области терагерцовые томографы смогут позволить исследовать верхние слои тела (например, кожу, сосуды) на глубине всего в несколько сантиметров и получать высокоточные изображения опухолей. Кроме того, совершенствование приемных камер на основе терагерцового излучения открывает возможность получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что сделает реальным бесконтактное восстановление предметов искусства.

Интенсивные исследования в этой области ведутся на протяжении последних двадцати лет. За это время ученые предложили различные схемы терагерцовых лазеров — как на атомарных, так и на твердотельных средах. Так, широко известны газовые лазеры, источники на основе графена — как однослойного, так и двухслойного, устройства на основе фотонных кристаллов, квантово-каскадные лазеры, а также лазеры с нелинейным преобразованием частоты излучения.

Для применения в большинстве указанных прикладных областей терагерцовый лазер должен соответствовать критериям миниатюрности и портативности, а также иметь высокий КПД. Однако в настоящий момент подавляющее большинство предложенных устройств имеют достаточно низкий КПД. Кроме того, они не отличаются гибкостью настройки своих характеристик: параметры излучения, и, в первую очередь его частота, жестко задаются параметрами самой системы. Поэтому перестраивать частоту излучения лазера оказывается фактически невозможно.

Решению этой проблемы посвящена работа группы ученых Университета ИТМО Ваника ШахназарянаИвана ШелыхАлександра Алоджанца и их коллеги из Владимирского государственного университета Игоря Честнова, которые в теории предложили  модель нового типа терагерцового твердотельного лазера на основе асимметричных квантовых точек из нитрида галлия.

«Учитывая, что у нас есть асимметричная квантовая точка, которая обладает излучением в терагерцовом диапазоне, мы развили эту идею в настоящем исследовании. А именно, мы решили рассмотреть ситуацию, когда имеется много таких точек, для усиления сигнала помещенных в резонатор, и таким образом получить терагерцовый лазер. Однако надо понимать, что при реализации такой системы на практике необходимо учесть еще целый ряд проблем», — говорит Ваник Шахназарян.

Первая проблема связана с тем, что, в отличие от атомарных систем, квантовые точки отличаются между собой по размеру. Размер квантовой точки определяет ее энергетический спектр, и таким образом получается, что каждая квантовая точка имеет свои энергии «одетых» состояний и, соответственно, индивидуальное Раби-расщепление. Из-за этого все квантовые точки не могут излучать синхронно, и излучение большого их количества характеризуется достаточно широким спектром. Это значит, что, в отличие от оптического диапазона (в обычных лазерах ширина линии сильно меньше, чем сама частота излучения), в этом случае уширение частоты настолько велико, что грозит полностью «убить» лазерное излучение.

Еще одной проблемой является необходимость упорядочить квантовые точки в пространстве, а именно обеспечить сонаправленность осей роста кристаллической структуры. То есть для получения лазерного излучения необходимо «вырастить» множество квантовых точек, которые будут не только идентичными по размеру, но и иметь параллельные между собой оси асимметрии (вдоль которых направлены постоянные дипольные моменты квантовых точек).

На данном этапе исследования ученым удалось построить перспективную теоретическую модель нового типа твердотельного терагерцового лазера. Найдены значения характерных параметров системы, при которых в системе будет устанавливаться режим генерации терагерцового излучения. Также рассчитана квантовая эффективность (параметр, в широком смысле характеризующий КПД лазерных источников) излучения. Результаты работы были опубликованы в журнале ACS Photonics, отдельную обзорную статью исследованию посвятил ученый из Университета Саутгемптона Симоне де Либерато. Этот материал был опубликован в журнале Nature news and views.

Lasing from dressed dots
A theoretical analysis of asymmetric dressed quantum dots in a photonic crystal cavity suggests that the system could form a new type of solid-state terahertz laser. However, an experimental realization will likely require advances in fabrication technology.
https://www.nature.com/articles/s41566-017-0074-3

В будущем, чтобы опробовать теоретическую модель экспериментально, ученым предстоит решить проблемы, связанные с уширением в силу неэквивалентности квантовых точек, а также с большими интенсивностями одевающего поля. На данном этапе развития экспериментальных техник это весьма нетривиальная задача, говорит Ваник Шахназарян. Однако, по словам Симоне де Либерато, несмотря на этот факт, предложение группы российских ученых определяет перспективный и интересный путь для будущих исследований.

«Технологические успехи в области изготовления квантовых точек могли бы проложить перспективный путь в решении задач, связанных как со снижением уширения, так и с увеличением поверхностной плотности квантовых точек. Это, наряду с улучшением конструкции широкополосных сверх-высокодобротных терагерцовых резонаторов, может превратить предложенную модель в новаторское жизнеспособное устройство. Более того, разработанная в данной работе теория лазера на основе неравновесно уширенных одетых состояний может применяться не только к квантовых точкам, но также для исследования других нецентросимметричных систем», — отмечает Симоне де Либерато.

Источник: http://news.ifmo.ru/ru/science/photonics/news/7235/


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top