Введение
В настоящее время генерация пикосекундных электромагнитных импульсов в диапазоне частот от 100 ГГц до 10 ТГц и более с использованием ультракоротких импульсов в ближней инфракрасной области является хорошо зарекомендовавшей себя методикой.
На основе научных и промышленных применений, таких как спектроскопия, томография, обеспечение качества и безопасности, были разработаны два основных типа поколений. В зависимости от характеристик лазера накачки предпочтительными механизмами являются оптическое выпрямление либо сверхбыстрые фототоки. Как правило, для лазерных систем с усилением, работающих при частоте следования в кГц диапазоне или ниже, нелинейные эффекты будут более предпочтительными, поскольку нелинейные оптические кристаллы имеют значительно более высокие пороги оптического повреждения, чем полупроводники, такие как GaAs или InGaAs. Однако для компактных лазеров с высокой средней мощностью, работающих с частотой следования в диапазоне МГц, обычно используются фотопроводящие переключатели (ФП) из-за их превосходной эффективности преобразования ТГц в ИК, составляющей примерно 10–5–10–4. В частности, для устойчивых к окружающей среде и портативных ТГц систем наиболее предпочтительны лазеры с высокой частотой повторения в сочетании с ФП. В последние годы было сделано несколько различных попыток оптимизировать ТГц КПД и выходную мощность соответственно. В частности, томографические приложения и спектроскопия с пространственным разрешением требуют чрезвычайно быстрой выборки импульсов ТГц диапазона, которая может быть реализована с увеличенным выходным ТГц диапазоном для ускорения сбора данных при сохранении достаточно высокого отношения сигнал/шум. Однако до сих пор для фазочувствительных ТГц измерений объектов обычно требуется несколько минут, часов или даже дней, в зависимости от размера объекта и предполагаемого спектрального или пространственного разрешения.
Недавно был представлен встречно-штыревой фотопроводящий переключатель с микролинзовой связью как высокоэффективных терагерцовый излучатель с активной площадью примерно 300 × 300 мкм2. Это устройство основано на гексагональном массиве микролинз, который прикреплен к структуре пальцевого электрода, обработанный на низкотемпературном выращенном GaAs (НТ GaAs). Микролинзы направляют падающий свет накачки на переключатель ФП таким образом, что освещается только каждый второй межэлектродный зазор. Как следствие, индуцируется однонаправленный фототок, обеспечивающий только конструктивное наложение генерируемых ТГц волн. В этой статье представляется дополнительно улучшенный излучатель с большой апертурой и с увеличенной активной площадью до 1 × 1 мм2, способный обеспечить на порядок более высокое ТГц излучение по сравнению с предыдущим представленным устройством.
Эксперимент и представление результатов
Исследуемая структура излучателя показана на рисунке 1. Он состоит из двух пальцевых электродов на НТ-GaAs, которые прикреплены к массиву гексагональных микролинз. Пальцевые электроды (Ti/Pt/Au) имеют ширину электродов 8 мкм и зазоры 5 мкм. Микролинзы, изготовленные из плавленого кварца, имеют диаметр 27 мкм и высоту 30 мкм, в результате чего общая гексагональная плотность упаковки составляет 73,4% (рис. 1b). В представленных экспериментах использовали терагерцовую систему во временной области, управляемую Ti:Сапфировым лазером с импульсами длительностью 150 фс при частоте повторения 80 МГц и максимальной средней мощностью около 3 Вт (Spectra-Physics, Mai-Tai ).
Рисунок 1. Микроскопические изображения излучателя большой площади (а) без и (б) с массивом гексагональных микролинз
Чтобы ускорить генерируемые носители заряда, электроды были подключены к генератору прямоугольного напряжения 30 кГц/25 В. Излучаемые ТГц волны собирались и направлялись двумя внеосевыми параболическими зеркалами на НТ-GaAs антенну с зазором 6 мкм для фазочувствительных измерений.
Кроме того, был применен пироэлектрический детектор для измерения излучаемой средней мощности ТГц излучения. Ранее было получено следующее математическое выражение для выходной мощности ТГц PTHz в зависимости от поглощенной оптической мощности Pопт и напряженности приложенного электрического поля Eприл:
Это выражение включает эффекты насыщения, которые, с одной стороны, зависят от поглощенной оптической интенсивности, т.е., экранирующие эффекты, и, с другой стороны, берут свое начало из существования естественного барьера для максимально достижимого ускорения электронов, которое определяется напряженностью электрического поля насыщения Eнас.
Чтобы получить Eнас, мы измерили среднюю мощность ТГц диапазона в зависимости от напряженности приложенного электрического поля, при этом мощность падающей накачки оставалась постоянной. Результаты экспериментов представлены на рисунке 2. Сплошная кривая показывает характер изменения расчетной кривой при отсутствии эффекта насыщения, чтобы проиллюстрировать влияние на выход ТГц диапазона.
Рисунок 2. Влияние напряженности электрического поля насыщения на генерируемую среднюю мощность ТГц излучения. Оптическое возбуждение Pопт = 200 мВт
На рисунке 3 показаны измеренная средняя мощность ТГц диапазона и соответствующая эффективность преобразования для увеличения оптической накачки. Приложенная напряженность поля ускорения составляла около 5 МВ/м.
При накачке от 0,5 Вт до 1,5 Вт происходит значительное насыщение, что приводит к стагнации эффективности преобразования на уровне примерно 1,3×10-4. При дальнейшем увеличении накачки КПД быстро падает. Такое поведение может быть связано с экранированием электрического поля, что становится все более актуальным при более высоких плотностях фотогенерируемых носителей заряда. Соответствующая мощность оптического насыщения Pнас была оценена примерно в 1 Вт. Следовательно, для более высоких уровней накачки, превышающих 1 Вт, структура излучателя должна быть расширена, чтобы поддерживать высокую эффективность преобразования.
Рисунок 3. Измеренная средняя мощность и соответствующая эффективность преобразования ИК-ТГц излучения для микролинзового излучателя с большой площадью. Соответствующие параметры: C/A2 ≈ 5 × 10−17 м2/(V2 Вт), Eнас ≈ 1,5 МВ /м и Pнас ≈ 1 Вт.
Напряженность электрического поля ТГц диапазаона и соответствующая спектральная амплитуда для оптического возбуждения мощностью 3 Вт показаны на рисунке 4. Поскольку продувки азотом не было в эксперименте, появляются линии поглощения в зависимости от содержания молекул воды в воздухе.
Рисунок 4. Сканирование ТГц поля во времени и соответствующий ТГц спектр при напряженности приложенного электрического поля 5 МВ/м и оптическом возбуждении около 3 Вт. Резкие спектральные линии обусловлены резонансами воды, вызванными молекулами воды в воздухе
Заключение
В заключение продемонстрирован масштабирующий потенциал ранее представленного микролинзового излучателя. Исследуемая структура пальцевого электрода 1×1 мм2 на низкотемпературном GaAs обеспечивает среднюю мощность до 280 мкВт ТГц и максимальную эффективность преобразования около 1,3×10–4. Эти результаты относятся к самым высоким значениям, когда-либо сообщавшимся при использовании лазеров с высокой частотой повторения для ТГц возбуждения. Здесь, в отличие от типичных излучателей с большой апертурой, где центральные длины волн смещены в сторону более низких частот, пальцевые электроды в сочетании с микролинзами гарантируют высокую напряженность поля ускорения и широкий ТГц спектр даже в областях площадью выше, чем мм2. Для более высокой доступной к работе оптической мощности активная область должна быть увеличена, чтобы сохранить лучшую эффективность преобразования. Однако это требует тщательного проектирования конструкции антенны, чтобы минимизировать темновой ток. Более того, для преодоления тепловых ограничений необходимо применять инновационные системы охлаждения.
© BATOP GmbH
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции BATOP на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
