Новости науки | ||
25.01.03. Терагерцовые лазеры - новая волна. | ||
Лазер - поистине уникальное изобретение человечества. Все больше и больше лазеры находят
применения в самых разных областях сферы деятельности человека - медицине, науке, коммуникациях,
искусстве. Казалось бы, что весь спектр электромагнитных волн уже перекрыт лазерами, но это было не
так до сравнительно недавнего времени.
Терагерцовые волны занимает полосу электромагнитного спектра между инфракрасным и
радиодиапазоном. Почему же учёные не освоили, так называемую в кругах специалистов "терагерцовую
дыру" раньше? Чтобы разобраться с этим вопросом, возьмём радиоволны. В основе любого
радиопередающего устройства лежит резонансный контур. От параметров контура зависит частота
собственных колебаний. Чтобы создать контур, работающий на терагерцовых частотах, необходима
невероятная точность в изготовлении элементов.
С другой стороны метод, применяемый в лазерах, тоже не подходит. В основе всякого лазера лежит
резонатор, с помещенной в него активной средой - кристаллом, раствором красителя или газом. С
помощью света, электрического разряда и др. можно возбудить активную среду. Вся генерация
происходит в результате переходов между различными возбуждёнными состояниями молекул или атомов
активной среды. Соответственно и длина волны, генерируемая таким квантовым генератором,
определяется энергетическим зазором между этими состояниями. Чтобы получить излучение
терагерцового диапазона, необходим достаточно малый энергетический зазор между уровнями энергии; в
существующих в природе материалах на таких переходах невозможно организовать эффективно
работающий лазер.
В природе нет материала, пригодного для создания терагерцовых лазеров, а можно ли создать что-
либо своё? И теоретики ответили "Да". Для этого необходимо использовать многослойные
гетероструктуры, или сверхрешетки (о сверхрешетках и "играх" с энергетической структурой кристалла
смотри в
этой статье). Как работает обычный
полупроводниковый лазер? У любого кристалла есть уровни (или целые зоны) энергии, на которых могут
"находиться" электроны. Электрон при поглощении энергии от накачки лазера переходит из основного
состояния в возбужденное. В дальнейшем он опять сваливается обратно испуская фотон. Величина
энергетического зазора между уровнями основного и возбужденного состояния и определяет диапазон
длин волн при генерации. Учёные показали, что варьируя толщину слоя полупроводникового материала,
например арсенида галлия, можно менять величину энергетического зазора, и можно
генерировать излучение в требуемом энергетическом диапазоне. Если вырастить последовательность
слоев материала с чуть различающейся толщиной, разделенных барьерами (слоями другого материала),
то можно получить своеобразную энергетическую лестницу: определенные уровни энергии в соседних
слоях образуют как бы ступеньки лестницы. При поглощении энергии электрон "закидывается" на самый
верхний уровень, а потом по этой
энергетической лестнице (переходя из одного слоя в другой) возвращается в основное состояние, на
каждом шаге испуская фотон терагерцового диапазона - это так называемый
квантово-каскадный режим [1].
Первый такой терагерцовый лазер был создан ещё в 1994 году Федерико Капассо из компании Bell
Labs, Джером Фэйст. Но до начала 2002 года одна немаловажная проблема была так и не решена.
Многослойный кристалл, который излучал терагерцовое излучение, его же и поглощал. И только
сравнительно недавно Александро Тредикуччи (National Centre fot Nanoscience and Nanotecnology) вместе
с коллегами предложили модель отвода излучения. Учёные внедрили в многослойный кристалл
множество волноводов, которые выводят излучение из кристалла. Им впервые удалось создать
терагерцовый лазер, работающий на частоте 4.4 ТГц, а в дальнейшем они смогли достичь 20 ТГц.
Дальнейшее продвижение ограничивается температурными колебаниями всех параметров активной
среды.
Не так давно появились первые образцы перестраиваемых
лазеров, которые позволяют излучать в диапазоне 1 - 60 ТГц. Работа таких, так называемых, лазерах
на свободных электронах (Free Electron Laser - FEL) основана совсем на другом принципе. Под действием
электромагнитного поля серии магнитов пучок релятивистских электронов излучает синхротронное
излучение. Длина волны такого излучения может управляться энергией электронов в пучке и
напряженностью магнитного поля.
В чем же уникальность этого диапазона? Терагерцовые волны сочетают в себе свойства своих
соседей. Как и радиоволны, они обладают большой проникающей способностью. В тоже время излучение
этого диапазона можно легко сфокусировать, подобно ИК-излучению. Фактически получается
альтернатива рентгеновским лучам. Но более того, терагерцовые волны проникают в организм человека
не причиняя вреда, а возможность фокусировки позволяет намного повысить разрешающую способность,
вплоть до распознавания даже отдельных молекул. А это может принципиально изменить диагностику
многих заболеваний. Первое применение - медицина. Исследователи уверены, новая технология позволит
получать необычайно чёткие изображения внутренних органов и тканей организма человека.
Исследования в терагерцовом диапазоне длин волн излучения содержат обширную информацию о
свойствах материалов и структур. Европейское космическое агентство планирует начать
многообещающие исследования звезд в терагерцовом диапазоне.
Многие специалисты видят в терагерцовом диапазоне новые возможности для применения в
телекоммуникациях. Сегодня уже можно сказать, что человечество вполне освоило этот необычный
диапазон волн.
Источники:
1. Faist,J., Capasso, F., Sivco, D., Sirtori, C., Hutchinson, A.L., and
Cho, A.Y.: 'Quantum cascade laser', Science, 1994, 264, pp. 553–556
| ||
|