Scientific.ru
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.
  teeth_160.jpg
так выглядит зуб в терагерцовом диапазоне спектра.

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

С.Лукашов

Обсудить на форуме


На главную страницу