Терагерцові QCL лазери

21.08.2020

Терагерцові квантово-каскадні лазери, що працюють при кімнатній температурі

Нове низькочастотне терагерцеве джерело демонструє перспективи простішого, менш дорогого варіанту для терагерцових застосувань

КАЗУЕ ФУДЖІТА та КАЗУКІ ХОРІТА, HAMAMATSU PHOTONICS,
та СТЕФАНІ БУТРОН, HAMAMATSU CORP.

Терагерцовий (ТГц) спектральний діапазон між інфрачервоними та мікронними довжинами хвиль на протязі довгого часу визнавався як частотний діапазон, що не використовувався. Він має значний потенціал для застосування в багатьох сферах, включаючи комунікації, отримання зображень, спектроскопію та біологічну інженерію, оскільки ТГц хвиля може проходити скрізь непровідні матеріали, такі як численні діелектричні матеріали, напівпровідники, а також лікарські засоби. На відміну від рентгенівського випромінювання з його іонізуючими властивостями, ТГц-випромінювання є неіонізуючим та неруйнівним із низькими енергіями фотонів, що робить його більш безпечним для людини. Однак широке розповсюдження комерціалізації ТГц технології ще не було реалізовано через відсутність компактного, регульованого в широкому інтервалі, високопродуктивного ТГц джерела серійного виробництва. Зокрема, в діапазоні частот близько 1 ТГц (який є центром ТГц проміжку) відсутні зручні та недорогі джерела, які працюють при кімнатній температурі та придатні до будь-яких ТГц полів.

Казуе Фуджіта та його колеги з Центральної дослідницької лабораторії (ЦДЛ) Hamamatsu Photonics (Японія) здійснили великий прорив у генерації ТГц. Групі вдалося створити субтерагерцовий квантово-каскадний лазер (ККЛ) з електричною накачкою, який працює при кімнатній температурі, і який перекриває найглибшу частину терагерцового провалу. Зареєстровано, що цей ККЛ генерує найдовшу довжину хвилі з усіх монолітних напівпровідникових лазерів з електричною накачкою.

Методика команди ґрунтується на ККЛ, структура яких складається з періодичних та перемінних напівпровідникових шарів. Ці шари утворюють серію спарених квантових ям та бар'єрів зі структурою, що повторюється. При прикладанні зовнішньої напруги електрони транспортуються в потенційні ями, що розташовуються ступінчасто в шарах, а потім передаються в наступну структуру. Фотони генеруються між створеними верхніми та нижніми рівнями на кожному етапі. Оскільки енергія переходу між рівнями є низькою, випромінювання фотонів виникає у середньому- або далекому інфрачервоному (терагерцовому) спектральному діапазоні. Було продемонстровано ККЛ в середньому інфрачервоному (середньому ІЧ) діапазоні, що працювали в спектральному діапазоні від 3 до 11 мкм в неперервному режимі при температурі вище кімнатної.

З іншого боку, починаючи з першої демонстрації в 2001 році діапазон робочої частоти звичайних ТГц-ККЛ охоплює діапазон від 1,2 до 5,4 ТГц. Однак ефективність ТГц-ККЛ на низькочастотній стороні була досить обмежена з точки зору вихідної потужності, а також максимальної робочої температури. Крім того, прогресу у розробці ТГц-ККЛ, які випромінюють на частотах нижче 1 ТГц, було важко досягнути, оскільки погана ефективність інжекції електронів з інжектора на верхній лазерний рівень, як правило, призводить до надзвичайних труднощів із отриманням інверсії населеності для роботи лазера.

Проривний підхід
Метод, який використовується для подолання цих труднощів, полягає у реалізації перетворення зі зниженням частоти за допомогою використання ККЛ з високою нелінійністю і великою потужністю в середньому ІЧ діапазоні. В одному ККЛ, що працює на двох близьких частотах, завдяки нелінійному ефекту різницево-частотного змішування ці дві частоти взаємодіють в активній зоні матеріалу і генерують терагерцове випромінювання з частотою, рівною різниці між двома робочими частотами. Цей пристрій називається ТГц нелінійним (НЛ) ККЛ або ТГц ККЛ з різницево-частотною генерацією (РЧГ)¹. Наразі це єдине монолітне напівпровідникове джерело світла з електричним збудженням, яке здатне працювати при кімнатній температурі в ТГц спектральному діапазоні (Рис. 1).

Рисунок 1. Робоча температура ККЛ в залежності від довжини хвилі або частоти випромінювання, верхня вісь (вгорі). ТГц РЧГ може бути досягнуто в ККЛ середнього ІЧ діапазону, що працюють в проміжку від 6 до 15 мкм. Схема ТГц НЛ ККЛ (внизу). Надано Hamamatsu Photonics.

Хоча було продемонстровано, що джерела з різницево-частотною генерацією генерують терагерцеве випромінювання в оптичних нелінійних кристалах, цей підхід вимагає значно більших лазерів та об’ємних оптичних лазерних установок. В даний час ТГц НЛ ККЛ мають розширені спектральні межі, які охоплюють майже весь діапазон від 1 до 6-ТГц, завдяки установці зовнішнього резонатора. Однак ефективність ТГц НЛ ККЛ в низькочастотній області (<2 ТГц) дуже обмежена; це спричиняється тим, що ефективність генерації ТГц в основному обмежена високим поглинанням у хвилеводі та зниженням ефективності перетворення енергії від середнього ІЧ діапазону.

Фуджіта та його колеги побили рекорд із досягнення найнижчого за частотою ТГц випромінювання від одного ТГц ККЛ і, отже, напівпровідникового лазера, як повідомлялося в Nanophotonics². Вони розробили високопродуктивні, суб-ТГц і ТГц НЛ ККЛ, що працюють при кімнатній температурі. Різкий прогрес в цій технології досягається завдяки впровадженню інноваційної концепції, а саме "дизайн подвійного верхнього стану в активній зоні". Це також називається дизайном активної області DAU³, це квантова структура в активній зоні ККЛ, яку спочатку було винайдено в ЦДЛ для розробки широкосмугових середніх ІЧ ККЛ.

Вони виявили, що дизайн DAU відповідав за кардинальні покращення ефективності перетворення для генерації ТГц⁴. Поки що для ТГц НЛ ККЛ було оптимізовано два варіанти укладки активної зони для випромінювання двох середніх ІЧ-частот. Для активної зони DAU додатковий верхній лазерний рівень забезпечував ще більше каналів для оптичних переходів для стимульованого випромінювання, так що ширина смуги підсилення для однієї активної зони DAU могла бути подвоєна порівняно з конструкціями активної зони з одним верхнім станом, що використовувались раніше (Рис. 2). Таким чином, коли в ТГц НЛ ККЛ було створено ґратки розподіленого зворотного зв'язку для двочастотного режиму роботи, підхід, який ґрунтувався на формуванні певним чином активної області, виявився непотрібним для активної області DAU. Крім того, така активна область DAU змогла зменшити оптичне поглинання в своїй шаруватій структурі завдяки динаміці транспорту електронів. Це дозволило створити високоефективні довгохвильові ККЛ в середній ІЧ області спектру з максимальною вихідною потужністю в діапазоні від 13 до 14 мкм.

Рисунок 2. Принцип роботи структур активних зон для ТГц НЛ ККЛ. Стандартна активна зона з одним станом (зліва). Подвійний верхній стан активної зони (справа). Надано Hamamatsu Photonics.

Довгохвильові ККЛ в середній ІЧ області спектру, в яких широкі квантові ями були використані для створення активної області, змогли забезпечити значно більшу оптичну нелінійність для перетворення довжини хвилі для ТГц випромінювання. Врешті-решт, ці ефекти спрацювали синергетично, в результаті чого ККЛ досяг нового рекорду щодо частоти роботи ТГц напівпровідникових лазерів і, ґрунтуючись на тій самій активній зоні DAU, успішно було виготовлено ККЛ, які генерують ТГц хвилі на 1.1 ТГц, 1.4 ТГц і 2.4 ТГц. Команда Hamamatsu Photonics розраховує охопити більшу частину ТГц частотного діапазону за допомогою цієї технології.

Застосування ТГц у реальному світі
Крім розширення робочого частотного діапазону, важливою особливістю ТГц НЛ ККЛ є робота при кімнатній температурі. Стандартні ТГц ККЛ зазвичай потребують кріогенного охолодження, яке складається з дуже громіздких комплектів обладнання. Ці типи охолоджених ККЛ повинні працювати в контрольованих умовах, оскільки їх робоча температура зазвичай не може бути досягнута за допомогою стандартного термоелектричного охолодження. На відміну від цього, в ТГц НЛ ККЛ, які можуть працювати при кімнатній температурі, може бути досягнуто різкого зменшення розмірів їх комплектів (Рис. 3), і, як результат, вони можуть бути включені в технологічні процеси як ключові компоненти, що використовуються для реальних застосувань.

Рисунок 3. Звичайні ТГц ККЛ потребують низькотемпературного охолодження, тоді як ТГц НЛ ККЛ має зменшені розміри та працює при кімнатній температурі. Надано Hamamatsu Photonics.

Крім того, ще однією окремою перевагою ТГц НЛ ККЛ перед звичайними ТГц-ККЛ є їх одномодові гаусові профілі пучка (Рис. 4а)⁵. Така розробка полегшує вмонтовування ККЛ у відповідні оптичні схеми порівняно з їх звичайними аналогами. У звичайних ТГц ККЛ контролювання профілю пучка може бути дуже складною проблемою через конструкційні обмеження стискання мод. З іншого боку, ТГц випромінювання в ТГц НЛ ККЛ виводиться з їх напівпровідникової підкладки з великою апертурою порівняно з довжиною хвилі, спираючись на умови узгодження фаз Черенкова. Як результат, профілі пучків ТГц НЛ ККЛ у своїй суті демонструють високоякісні, гауссіаноподібні форми, які підходять для застосування у ТГц іміджингу. Насправді, у більшості ТГц систем зображень ТГц пучок очищується завдяки пропусканню його через просторовий фільтр, який використовується для поліпшення характеристик зображення. Однак у системі візуалізації з ТГц НЛ ККЛ просторовий фільтр не потрібний завдяки чудовому профілю пучка. Фактично, використовуючи оптичне налаштування, команда Hamamatsu Photonics провела перший експеримент із отримання ТГц зображенням за допомогою ТГц НЛ ККЛ з широкосмуговими спектрами випромінювання близько 2,4 ТГц при кімнатній температурі. Завдяки цьому команда досягла контрастних зображень з високою роздільною здатністю предметів, затемнених непрозорими матеріалами (Рис. 4б)⁵.

Рисунок 4. Профіль пучка у дальньому полі Hamamatsu ТГц НЛ ККЛ при -30 °C (a) та звичайного ТГц ККЛ з подвійним металевим хвилеводом (b). Типове терагерцеве зображення невеликих предметів у паперовому конверті, отримане за допомогою ТГц НЛ ККЛ (температура регулюється за допомогою термоелектричного охолодження), - гумова стрічка, пластиковий гудзик, скріпка та лезо від ножа (с). Надано Hamamatsu Photonics

Очікується, що розроблені ТГц НЛ ККЛ будуть корисними для багатьох застосувань, таких як тестування якості та неруйнівна перевірка для визначення чистоти фармацевтичної сировини або проміжних сполук, в якій різницю в компонентах матеріалу можна виявити на основі спектрального контрасту спектрів поглинання. Інші можливі застосування включають субміліметрову астрономію та ТГц-зв’язок. Астрономи досліджують процес народження та формування зірок, спостерігаючи міжзоряні гази, які генерують ТГц випромінювання; в цій області, ТГц НЛ ККЛ можна використовувати як локальний генератор. Крім того, передбачається, що ТГц частотні смуги будуть корисними для бездротового зв'язку, оскільки існує чималий потенціал для високошвидкісного та високопродуктивного зв'язку на невеликих відстанях, наприклад, в будинку, офісі чи центрі обробки даних.

Висновки

Цей прорив у генерації ТГц випромінювання є розвитком сфери ТГц досліджень, якого прагнули роками. Незалежно від того, чи це пов'язано з високими витратами, необхідними квадратними метрами або потребою у професіоналах, навчених керувати кріогенними охолоджувачами, але охолодження обмежує реалізацію ТГц джерел та детекторів у багатьох застосуваннях. Наприклад, розмір і вага охолоджувального обладнання, а також додана маса самого охолоджувача, заважають використовувати ТГц техніку в космічних вимірюваннях.

Незважаючи на це обмеження, ТГц ККЛ переважають в охопленні неперервними довжинами хвиль порівняно з конкуруючими технологіями. Подолавши це обмеження по охолодженню, ТГц НЛ ККЛ стає більш життєздатним (практично здійсненним) варіантом для низькочастотної ТГц генерації при кімнатній температурі. Він не тільки компактний і придатний для масового виробництва, але і більш зручний для користувача під час проектування оптичних схем, також він більш зручний для інтегрування в існуючі установки, і він демонструє більш високу продуктивність, ніж існуючі ТГц ККЛ.

Однак, потрібно зробити більше, щоб цей пристрій став дуже затребуваним - особливо для таких застосувань, як аналіз матеріалів, бездротовий зв'язок, аналіз залишкових газів, медична візуалізація та ідентифікація фармацевтичної сировини. Крім покращення функціонування при кімнатній температурі, необхідно збільшити вихідну потужність. Для цього корпорація Hamamatsu Photonics планує вдосконалити дизайн структури ККЛ для досягнення роботи в режимі неперервної генерації з постійною інтенсивністю вихідного світлового потоку.

Познайомтеся з авторами

Казуе Фуджіта, доктор філософії, є старшим науковим співробітником в Центральній науково-дослідній лабораторії, Hamamatsu Photonics K.K., Японія. Він відповідає за дослідження та розробку терагерцових джерел на основі квантово-каскадних лазерів. Має докторський ступінь з електронної інженерії в Кіотському університеті та понад 17 років досвіду в галузі інфрачервоних середнього діапазону та терагерцових технологій; електронна пошта: kfujita@crl.hpk.co.jp.

Казукі Хоріта - науковий співробітник Центральної дослідницької лабораторії, Hamamatsu Photonics K.K., Японія. Він відповідає за розробку та застосування терагерцової спектроскопії та зондування. Він отримав ступінь магістра інженерії в галузі прикладної фізики в Університеті Фукуї в 2012 році і має понад 10 років досвіду в терагерцових технологіях; електронна пошта: kazuki.horita@crl.hpk.co.jp.

Стефані Бутрон - інженер з прикладних програм у групі дослідницьких інновацій в корпорації Hamamatsu Corp. Вона відповідає за дослідження ринку, прикладні та технічні дослідження терагерцової та середньої інфрачервоної технологій з університетської та промислової перспектив. Вона отримала ступіть бакалавра з хімічної інженерії в Манхеттенському коледжі; електронна пошта: sbutron@hamamatsu.com.

Список літератури
1. K. Fujita et al. (2018). Recent progress in terahertz difference-frequency quantum cascade laser sources. Nanophotonics, Vol. 7, Issue 11, pp. 1795-1817.

2. K. Fujita et al. (2019). Sub-terahertz and terahertz generation in long-wavelength quantum cascade lasers. Nanophotonics, Vol. 8, Issue 12, pp. 2235-2241.

3. K. Fujita et al. (2010). High-performance, homogeneous broad-gain quantum cascade lasers based on dual-upper-state design. Appl Phys Lett, Vol. 96, Issue 24, p. 1107.

4. K. Fujita et al. (2015). Terahertz generation in mid-infrared quantum cascade lasers with a dual-upper-state active region. Appl Phys Lett, Vol. 106, Issue 25, p. 1104.

5. A. Nakanishi et al. (2019). Terahertz imaging with room-temperature terahertz difference-frequency quantum-cascade laser sources. Opt Express, Vol. 27, Issue 3, pp. 1884-1893.

Оригінал тексту: Photonics Spectra
Переклад: Наталія Березовська
Редактор перекладу: Ігор Дмитрук

Повернутися