Терагерцевий лазер навчили працювати поза лабораторією

Вчені розробили лазер, що випромінює в терагерцевому діапазоні і працює без кріогенного охолоджувача, що дозволяє вперше використовувати його поза лабораторією. Робочу температуру лазера, рівну - 23 градусам Цельсія, можна підтримувати звичайним недорогим кулером. Дослідження опубліковано в журналі.

Спектр частот терагерцового випромінювання розташований між інфрачервоним і СВЧ-діапазоном. Найсучасніші прилади, що випромінюють у цьому діапазоні - це квантово-каскадні твердотільні лазери на основі напівпровідників з арсеніда галію, легованого арсенідом алюмінію-галію.

Випромінювання в квантово-каскадних лазерах засноване на внутрішньозонних переходах, а сприяють йому численні дискретні рівні енергії, що виникають через особливості квантової гетероструктури, яка за рахунок малого розміру (менше 200 ангстрем на один шар) буквально обмежує рух носіїв зарядів.

Оскільки випромінювання квантово-каскадних лазерів - уніполярне, то структура являє собою повторювані шари напівпровідників, межа розділу яких - це якийсь бар'єр. Електрон, проходячи від однієї активної зони до іншої через ці бар'єри, віддає енергію у вигляді випромінювання.

Застосувати терагерцові лазери в усіх галузях науки, де вони потрібні, неможливо. Одна з найсуттєвіших перешкод - низька робоча температура (близько 200 кельвін), яку легко досягти тільки за наявності лабораторного обладнання. Навпаки, більшість завдань для застосування терагерцового випромінювання вимагає портативності випромінювачів. Для успішного вирішення цих завдань потрібно змусити працювати лазер при кімнатній температурі або за допомогою портативних кулерів.

Проблема почасти криється у витоку носіїв заряду через тунельний ефект, коли електрони з енергією менше ширини забороненої зони «тікають» з ізольованої області приладу. Зі зростанням температури витік збільшується, а ефективність лазера падає. У попередніх роботах дослідники з'ясували, що витік при збільшенні температури особливо активно відбувається в області бар'єру, між різними шарами гетероструктури.

Алі Халатпур (Ali Khalatpour) з Массачусетського технологічного інституту з колегами спроектували квантово-каскадний твердотельний лазер, що випромінює хвилі частотою чотири терагерці і працює при максимально можливій температурі 250 кельвін. Температури 250 кельвін або - 23 градуси Цельсія можна досягти, використовуючи недорогий портативний кулер. Попередній рекорд температури становив 210 кельвін.

Лазер складається з шарів, що чергуються, арсеніда галію і арсеніда алюмінію-галію, як і його попередники, проте вчені компенсували витік носіїв заряду, підвищивши ширину забороненої зони бар'єру за рахунок збільшення вмісту алюмінію в легуючій домішці арсеніда алюмінію-галію з 15 до 30 відсотків.

Дослідники протестували чотири структури з різною товщиною шарів, щоб домогтися оптимального співвідношення низького витоку і високої сили інжекції носіїв заряду через бар'єр. Шари вирощували методом молекулярно-променевої епітаксії. Вчені зробили висновок, що від якості її проведення також залежить ефективність майбутнього приладу, але як саме - не уточнюється.

Терагерцове випромінювання можна використовувати для вивчення біоактивності хімічних сполук, для спектрального аналізу атмосфери планет в астрофізиці, а також, наприклад, для знаходження вибухових речовин (C-4, TNT), які специфічно відображаються при такому опроміненні. Дані, отримані вченими, дозволять використовувати лазер в портативних приладах поза лабораторією і роблять можливим швидкий спектральний аналіз в реальному часі.

Портативність лазерів відіграє ключову роль у сучасних додатках, наприклад, американці планують використовувати лазерну установку потужністю три кіловати на базі бронемашини для розчищення мінних полів.