Терагерцовая технология освобождается от холода

ИноСМИ, Лазеры в электронной отрасли Комментарии к записи Терагерцовая технология освобождается от холода отключены

Схема одной лазерного гребня в термоэлектрически охлажденном ТГц квантовом каскадном лазере. Кредит: Faist group, ETH Zurich

 

Терагерцовое (ТГц) излучение немного похоже на сундук с сокровищами, который полностью не открывается. Находясь в электромагнитном спектре между инфракрасной и микроволновой областями, ТГц излучение сочетает в себе ряд свойств, которые идеально подходят для применения. Он предоставляет окно для уникальной спектроскопической информации о молекулах и твердых телах, может проникать через непроводящие материалы, такие как текстиль и биологические ткани, и делает это без ионизации и, следовательно, повреждения исследуемого объекта или субъекта. Это открывает интригующие перспективы для неинвазивной визуализации и неразрушающего контроля качества, среди других приложений. Но в то время как нет недостатка в идеях для потенциальных применений, их реализация сдерживается отсутствием практических технологий для генерации и обнаружения ТГц излучения.

Отсюда и волнение: Lorenzo Bosco, Martin Franckié и коллеги из группы érôme Faist из Института квантовой электроники ETH в Цюрихе сообщили о реализации ТГц квантового каскадного лазера, работающего при температуре 210 K (-63 ° C). Это самая высокая рабочая температура, достигнутая на данный момент для этого типа устройства. Что еще более важно, это первый раз, когда работа такого устройства была продемонстрирована в температурном режиме, где не требуются криогенные теплоносители. Вместо этого Bosco и др. использовали термоэлектрический охладитель, который намного компактнее, дешевле и проще в обслуживании, чем криогенное оборудование. Этим продвижением они устранили основные препятствия на пути к различным практическим применениям.

 

Каскад в направлении приложений.

Квантовые каскадные лазеры (quantum cascade lasers, QCL) уже давно стали естественной концепцией для ТГц-устройств. Как и многие лазеры, которые широко используются в качестве источников света в видимой-инфракрасной области частот, QCL основаны на полупроводниковых материалах. Но по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами, используемыми, например, в считывателях штрих-кодов или лазерных указках, QCL работают в соответствии с принципиально иной концепцией для достижения излучения света. Короче говоря, они построены вокруг повторяющихся стопок точно сконструированных полупроводниковых структур (см. Рисунок, панель c), которые сконструированы таким образом, чтобы в них происходили подходящие электронные переходы (панель d).

QCL были предложены в 1971 году, но впервые были продемонстрированы только в 1994 году Faist и его коллегами, затем работавшими в Bell Laboratories (США). Подход доказал свою ценность в широком спектре экспериментов, как фундаментальных, так и прикладных, в основном в инфракрасной области. Разработка QCL для ТГц излучения также достигла существенного прогресса, начиная с 2001 года. Широкое использование было затруднено из-за требования к криогенным хладагентам — обычно жидкому гелию — что добавляет существенную сложность и стоимость, а также делает устройства большими и менее мобильными. Прогресс в работе ТГц QCL при более высоких температурах практически застрял в момент, когда семь лет назад была достигнута работа устройств при температуре около 200 К (-73 ° С).

а) Термоэлектрически охлаждаемый лазерный бокс с лазером, установленным на вершине элемента Пельтье (белый квадрат), позволяющий работать между 195 К и 210,5 К с лазером, излучающим вертикально через окно в верхней крышке.

  1. b) Лазерный чип, установленный в лазерном корпусе, соприкасается с тонкими золотыми проводами, прикрепленными поверх нескольких лазерных гребней.
  2. c) схема одного лазерного гребня; горизонтальные линии показывают структуру с квантовыми ямами, образованную слоистыми полупроводниками. Гребень (шириной 150 мкм) расположен между тонкими слоями меди.
  3. d) Край зоны проводимости (белые линии), наклоненный под действием смещения приложенной операции, с электронной плотностью, разрешенной в энергии, показанной в цвете.

Электрическое смещение ведет электроны через безызлучательные переходы, обозначенные пунктирной стрелкой. Это накачивает материал в тонкой лунке, который становится более населенным, чем материал в более широкой лунке, обозначенное зеленой стрелкой, что позволяет обеспечить суммарное стимулированное излучение терагерцевых фотонов.

 

Барьер пройден.

Достижение 200 К было впечатляющим подвигом. Эта температура, однако, чуть ниже отметки, где криогенные методы могут быть заменены термоэлектрическим охлаждением. То, что рекордная температура не изменялась с 2012 года, также означало, что начал расти некоторый «психологический барьер» — многие в этой области начали соглашаться с тем, что ТГц QCL всегда должны работать в сочетании с криогенным охладителем.

Команда ETH преодолела этот барьер. В статьях в Applied Physics Letters они представляют ТГц QCL  с термоэлектрическим охлаждением, работающие при температурах до 210 ° К. Кроме того, излучаемый лазерный свет был достаточно сильным, чтобы его можно было измерить детектором комнатной температуры. Это означает, что вся установка работала без криогенного охлаждения, что еще больше усилило потенциал подхода для практических применений.

Bosco, Franckié и их коллегам удалось устранить «охлаждающий барьер» благодаря двум связанным достижениям. Во-первых, они использовали при проектировании своих стеков QCL простейшую возможную структурную единицу, основанную на двух так называемых квантовых ямах за период (см. Рисунок, панель d). Известно, что этот подход является путем к более высоким рабочим температурам, но в то же время эта двухскважинная конструкция также чрезвычайно чувствительна к малейшим изменениям геометрии полупроводниковых структур. Оптимизация производительности относительно одного параметра может привести к ухудшению относительно другого. Поскольку систематическая экспериментальная оптимизация не была приемлемой, им пришлось полагаться на численное моделирование.

Это вторая область, в которой группа добилась существенного прогресса. В недавней работе они установили, что могут точно моделировать сложные экспериментальные устройства QCL, используя подход, известный как модель неравновесных функций Грина. Расчеты должны выполняться на мощном компьютерном кластере, но они достаточно эффективны, чтобы их можно было использовать для систематического поиска оптимальных конструкций. Способность группы точно прогнозировать свойства устройств — и изготавливать устройства в соответствии с точными спецификациями — дала им инструменты для создания серии лазеров, которые последовательно работают при температурах, которые могут быть достигнуты при термоэлектрическом охлаждении (см. Рисунок, панели а) и b). И этот подход ни в коем случае не исчерпан. Идеи для повышения рабочей температуры существуют в группе Faist, и предварительные результаты выглядят многообещающими.

 

Заполнение ТГц промежутка.

Первая демонстрация терагерцового квантового каскадного лазера, работающего без криогенного охлаждения, представляет собой важный шаг к заполнению «ТГц промежутка», который давно существует между зрелыми технологиями для микроволнового и инфракрасного излучения. При отсутствии движущихся частей или циркулирующих жидкостей вид термоэлектрически охлаждаемых ТГц QCL, которые теперь вводят физики ETH, может быть более легко применен и поддерживаться вне границ специализированных лабораторий, еще больше поднимая крышку сундука с сокровищами TГц.

Источник: https://phys.org/news/2019-07-terahertz-technology-cold.html

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top