Импортозамещение с повышенным КПД

Российские ученые разработали терагерцовый излучатель, используемый в системах спектроскопии. С одной стороны, это часть элементной базы приборов, широко используемых в исследованиях и в промышленности, которые необходимо импортозаместить. С другой — предложенная разработка имеет более высокий КПД, чем у имеющихся на рынке западных аналогов. Исследование проведено при поддержке РНФ (грант 19-79-10240).
Спектрометр — прибор, широко используемый в самых различных областях: от научных исследований, контроля качества на производстве, экологии до пищевой промышленности, сельского хозяйства и археологии. В большинстве своем до последнего времени эти приборы закупали за рубежом. Сегодня перед российскими инженерами поставлена задача создать собственную линейку приборов. Для ее решения ведущие вузы по инициативе МФТИ объединились в консорциум, цель которого — развитие отечественного научного приборостроения. Создание элементной базы — важная часть этой работы.

Группа ученых из МФТИ, Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ) им. В. Г. Мокерова РАН, МГТУ им. Н. Э. Баумана и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН разрабатывает оптоэлектронную составляющую для отечественного спектрометра с уникальными характеристиками. Сам прибор состоит из излучателя, который воздействует на исследуемый объект импульсом излучения определенной частоты, и приемника, который регистрирует получаемый в результате спектр. Есть традиционные подходы к созданию фотопроводящих терагерцовых излучателей. Принцип работы у них следующий: излучатель очень короткими фемтосекундными импульсами возбуждает электроны в полупроводнике, в результате возникает ток, электроны текут к одному контакту, дырки — к другому. Этот ток является генератором терагерцового излучения.

Дмитрий Пономарев, заместитель директора ИСВЧПЭ РАН, старший научный сотрудник лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ, инициатор работы поясняет: «Антенный элемент расположен на полупроводнике. Под действием фемтосекундных импульсов происходит генерация терагерцового излучения. Так работают традиционные фотопроводящие терагерцовые излучатели. Но у них есть проблемы: низкая мощность и низкая конверсия, или, можно сказать, КПД. Например, вы вкачиваете излучение лазера в полупроводник. Вкачали 100 процентов, а на выходе у вас лишь 0,02 процента перешло в терагерцы. Мы стараемся с каждым нашим последующим исследованием эту конверсию повышать».

Для увеличения конверсии ученые использовали электроды антенны в форме решетки с субволновыми размерами. Считается, что такая решетка должна быть планарной, то есть пленкой толщиной в пределах 100 нм. Авторы исследования предложили новую форму электродов. Сначала численными методами показали, что высота или толщина металлизации решетки серьезно влияют на излучаемые характеристики. Затем сделали элемент с толщиной электродов 170 нм. Мощность значительно возросла.

Дмитрий Пономарев рассказывает: «Мы сделали толщину электродов 170 нанометров. Это поменяло принципиально всю физику работы. Мы показали, что возникает очень интересный эффект. Когда излучение попадает в тонкие щели между металлическими полосками, эти щели служат волноводами для излучения накачки. Возбуждаются более высокие моды плазменных колебаний, которые приводят к сильному перераспределению энергии в полупроводнике. А это ведет к тому, что большее количество электронов высвобождается. Соответственно, увеличивается ток и увеличивается излучаемая мощность».

Учеными разработана геометрия решетки с учетом максимального пропускания падающего оптического света и определены оптимальные параметры конструкции решетки. Изготовленный плазмонный излучатель эффективно работает с маломощным лазерным возбуждением. Разработка будет востребована в современных терагерцовых спектроскопических и высокоскоростных приложениях визуализации.

Работа опубликована в журнале Optics Letters.