Пристрій для генерації лазерного випромінювання в терагерцовому діапазоні частот

Пристрій для генерації лазерного випромінювання в терагерцовому діапазоні частот, що містить оптичне джерело накачки, активне середовище і резонатор терагерцового випромінювання, який відрізняється тим, що активне середовище виконується з однорідного з малою кількістю точкових дефектів монокристалу CdS, при цьому монокристал CdS виконаний у вигляді тонкого (30300 мкм) вирощеного з газової фази монокристалу, а резонатор для випромінювання екситонекситонного розсіяння виконаний у вигляді резонатора повного внутрішнього відбивання, який створюється поверхнями самого кристалу CdS, в якому під дією накачки досягається генерація на оптичних переходах екситон-екситонного розсіяння. Даний винахід відноситься до методів і способів отримання когерентного електромагнітного випромінювання, і може використовуватись для створення нових малагобаритних лазерних джерел у міліметровому і субміліметровому діапазоні довжин хвиль. Терагерцовий діапазон частот електромагнітного випромінювання від 100GHz до 100THz, який є проміжним між радіоелектронікою і оптикою, все більше привертає до себе увагу фахівців. Це насамперед пов'язане з особливими властивостями і перспективою використання таких хвиль не тільки для передачі інформації, але й у біології і медицині. Для практичного використання терагерцового (TF) випромінювання перш за все потрібно створити малогабаритні і надійні джерела і приймачі такого випромінювання. Отримувати (TX) випромінювання можна з допомогою теплових джерел із селективними спектральними фільтрами [С.К. Tiang, J. Cunningham, A.С. Wood, I.С. Hunter, and A.G. Davies. Electromagnetic simulation of terahertz frequency range filters for genetic sensing. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 100, 066105 pp.1. 2006], спеціальних електронних генераторів [Koichi Narahara. Electromagnetic continuous-wave generation using switch lines. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 100, 064908. pp.1, 2006], або оптичних лазерних генераторів різницевої частоти [S. Sakamoto, М. Ishiguro, R. Kawabe, "The large millimeter and submillimeter array", 1999 IEEE Seventh International Conference on Terahertz Electronics, pp. 284, 1999; S. Matsuura, M. Tani and K. Sakai, Applied Physics Letter, vol. 70, no. 5, pp.559, 1997], чи шляхом лазерного збудження спеціальних напівпровідникових структур [Coutaz Jean-Louis, Duvillaret Lionel, Caret Frederic, Gex Jean-Pierre // Rev. elec. et electron. - 1999. - №5. - C 81-89; K. Mizoguchi, A. Mizumoto, and M. Nakayama, S. Saito, A. Syouji, and K. Sakai, N. Yamamoto and K. Akahane, S.M. Iftiquar, Kiyomi Sakai, Masahiko Tani, Characterization of terahertz electromagnetic waves from coherent longitudinal optical phonons in GaAs/AlAs multiple quan (19) UA (11) 86248 (13) (21) a200701733 (22) 19.02.2007 (24) 10.04.2009 (46) 10.04.2009, Бюл.№ 7, 2009 р. (72) КРУПА МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ МАГНЕТИЗМУ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК І МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ, UA (56) Intense terahertz laser fields on a quantum dot with Rashba spin-orbit coupling//Authors: J. H. Jiang, M. Q. Weng, M. W. Wu/ (Submitted on 23 Mar 2006 (v1), last revised 28 Jun 2006 (this version, v2)). Appl. Phys. 100, 063709 (2006) UA 35809 A, H01S 5/00, 16.04.2001 SU 1653514, H01S 3/18, 20.02.1996 Лазер из нанопроволоки. Источник : Scince 299531 (2003) Новости физики в Интернете за март 2003. http://www.ufn.ru/ru/news/2003/3/ JP 2005322733, H01S 1/02, 5/34, 1/00, 5/00, 17.11.2005 C2 1 3 86248 4 tum wells. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 100, вання терагерцового діапазону, який складається 103527, pp.1, 2006]. Проте такий метод отримання з оптичного джерела накачки, активного середоелектромагнітного випромінювання в терагерцовища, виконаного з тонкого вирощеного з газової вому діапазоні частот не дає можливості створюфази монокристалу CdS, в якому сформований вати малогабаритні джерела, а також отримувати резонатор повного внутрішнього відбивання, і релазерне направлене випромінювання, що створює зонатора терагерцового випромінювання, ДЛЯ змеряд труднощів у практичному використанні. ншення габаритів оптичне джерело накачки викоНайбільш близьким за принципом роботи є нане у вигляді імпульсних світлових діодів, енергія спосіб описаний у роботі [J. Н. Jiang, М.Q. Weng, кванта випромінювання яких більша від ширини М.W. Wub, Intense terahertz laser fields on a quanзабороненої зони в кристалі CdS. tum dot with Rashba spin-orbit coupling // JOURNAL Пристрій для генерації лазерного випромінюOF APPLIED PHYSICS 100, 063709. 2006], який ми вання терагерцового діапазону, який складається вибрали за найближчий аналог. Даний спосіб з оптичного джерела накачки, активного середовключає накачку активного середовища на квантовища, виконаного з монокристалу CdS, в якому вих точках оптичним лазерним випромінюванням і при оптичній накачці виникає лазерна генерація на виділення терагерцового випромінювання резонаоптичних переходах екситон-екситонного розсіянтором. Головним недоліком такого способу, є те, ня, і резонатора терагерцового випромінювання, що для нього в силу обмеження густини квантових для підвищення вихідної енергії терагерцового точок не можна отримати високий коефіцієнт підвипромінювання монокристал CdS виконаний в силення, а також отримати генерацію при не надвиглядіпаралелепіпеда з розміром ребра порядку низьких температурах. Тому і пристрої, які працю1мм, в якому дві бокові грані є паралельними з ють на основі даного способу є не досить високою точністю, і на одну з них нанесена плівка малогабаритними, і мають невисоку ефективність. з золота, а оптичне джерело накачки виконане в Технічною задачею, на розв'язання якої навиді потужного імпульсного лазера, подвоєна енеправлений даний винахід, є підвищення ефективргія кванта якого більша від ширини забороненої ності відомого способу, розширення температурзони кристалу CdS. ного діапазону його роботи і суттєве зменшення Схема пристрою для генерації лазерного вигабаритів пристроїв, які побудовані на основі данопромінювання терагерцового діапазону представго способу. лена на кресленні. Він складається з оптичного Досягнення поставленої мети в даному винаджерела накачки (азотного, рубінового чи другої ході досягається за рахунок того, що у відомому гармоніки неодимового лазера) 1, активного сереспособі, який включає оптичну накачку активного довища 2, яким при двофотонній накачці (рубіносередовища і виділення терагерцового випромівий чи друга гармоніка неодимового лазера) може нювання резонатором, активне середовище викобути вирізаний у формі паралелепіпеда монокриснується з однорідного з малою кількістю точкових тал CdS із нанесеною на бокову грань плівкою дефектів монокристалічного напівпровідника, в золота, або при однофотонній накачці (азотний якому під дією накачки досягається лазерна генелазер або імпульсні світлові діоди) вирощена з рація на оптичних переходах екситон-екситонного газової фази гонка (50-500мкм) пластинка з монорозсіяння. кристалу CdS, в якому резонатор повного внутрішРеалізація поставленої технічної задачі досянього відбивання для випромінювання екситонгається за рахунок того, що у відомому пристрої екситонного розсіяння сформований чотирма вердля генерації лазерного випромінювання терагертикальними попарно паралельними поверхнями цового діапазону, який складається з оптичного самого кристалу. До складу даного пристрою входжерела накачки, активного середовища і резонадить також відкритий резонатор терагерцового тора терагерцового випромінювання, активне севипромінювання, на осі якого розміщений кристал редовище виготовляється з монокристалу CdS, в CdS і який складається із двох дзеркал 3. Одне з якому при оптичній накачці виникає лазерна генених має коефіцієнт відбивання біля 100%, а друге рація на оптичних переходах екситон-екситонного напівпрозоре. Для випадку двофотонної накачки розсіяння. цей резонатор орієнтований перпендикулярно до Пристрій для генерації лазерного випромінюнапряму накачки і до граней паралелепіпеда із вання терагерцового діапазону, який складається золотими плівками. При однофотонній накачці цей з оптичного джерела накачки, активного середорезонатор орієнтований перпендикулярно до навища з монокристалу CdS, в якому при оптичній пряму накачки. накачці виникає лазерна генерація на оптичних Працює даний пристрій для генерації лазернопереходах екситон-екситонного розсіяння, для го випромінювання терагерцового діапазону нарозширення температурного діапазону роботи ступним чином. Імпульс накачки лазера поглинапристрою оптичне джерело накачки виконане у ється і збуджує в зоні провідності кристалу CdS вигляді азотного лазера, який генерує послідоввелику концентрацію електронів. Так як в даному ність наносекундних імпульсів, монокристал CdS монокристалі мала концентрація дефектів, то ці виконаний в виді тонкого (30-300мкм) вирощеного електрони зв'язуються з дірками, створюють велиз газової фази монокристалу, в якому сформоваку концентрацію екситонів і дають лазерну генераний резонатор для випромінювання екситонцію на переходах екситон-екситонного розсіяння екситонного розсіяння в виді резонатора повного на модах повного внутрішнього відбивання [див. внутрішнього відбивання, який створюється повероботу Крицкий А.В., Крупа Н.И., Купченко Г.А. рхнями самого кристалу CdS. Лазерное излучение монокристаллов CdS при Пристрій для генерації лазерного випромінюоднофотонном возбуждении // ЖЭТФ. - 1978. - Т. 5 86248 6 74, №2. - С.483-489]. При екситон-екситонному накачки азотний лазер. зіткненні і розсіянні екситони з нижнього екситонМи провели експериментальну перевірку опиного рівня переходять на більш високий 2, 3, 4 і саного способу на основі пристрою для генерації т.д. енергетичні рівні, про що свідчать спектри вилазерного випромінювання терагерцового діапамушеноїлюмінесценції і генерації (див. попередню зону, в якому наносекундними імпульсами азотнороботу). го лазера збуджувались вирощені з газової фази Резонатор із високою добротністю (золота плімонокристалічні пластини CdS товщиною 250вка, або резонатор повного внутрішнього відби300мкм. Оптична вісь для таких пластин CdS левання) дозволяє при високому рівні накачки отрижала в площині пластини. В таких пластинах шимати лазерну генерацію в смузі випромінювання риною 0,5-1см методом простого сколювання по екситон-екситонного розсіяння. Це випромінюванплощині спайності вздовж оптичної осі кристалу ня виходить для випадку золотої плівки через простворювався резонатор повного внутрішнього відтилежну грань кристалу, а для випадку резонатора бивання, який створюється широкими поверхнями повного внутрішнього відбивання через бокові і сколотими торцями кристалу CdS. Лазерний пуребра кристалу, як показано на кресленні. При чок падав на широку поверхню кристалу, де збутакій генерації в монокристалі CdS одночасно проджував всю область від одного до другого торця ходить ефективне збудження екситонів на n-тий кристалу висотою 3-8мм. З однієї сторони торця кристалічної пластинки встановлювалось, сферизбуджений рівень (n³2). Внаслідок цього в кристалі чне дзеркало з радіусом кривизни R=50мм, на поCdS в системі екситонів виникає інверсія населеверхню якого напилювалась мідна плівка товщиності, що є передумовою для отримання лазерної ною біля 1мкм,. З протилежної сторони кристалу генерації на переходах екситонів з w-того рівня на встановлювалась сапфірова пластинка, яка разом (n-k)-тий екситонний рівень, де k=1, 2, 3.... Енергія зі сферичним дзеркалом утворювала напівконфопереходу екситона з основного енергетичного рівкальний резонатор. Після сапфірової пластини ня на збуджені рівні лежить в межах 0,1-0,001еВ, встановлювався диференційний піродатчик, вхід що відповідає терагерцовому діапазону частот, закривався германієвою 1мм пластинкою. тому і генероване в кристалі випромінювання на Результати вимірювань показали, що при лапереходах між рівнями екситонної зони буде лезерній генерації в кристалі CdS зеленого випроміжати в області терагерцових частот. нювання, яке можна приписати екситонОсобливістю роботи нашого пристрою є не екситонному розсіянню в кристалі CdS, піродатчитільки потреба в однорідному бездефектному наком вдається зареєструвати імпульсний сигнал, півпровідниковому кристалі, в якому основним який можна приписати електромагнітному випроканалом рекомбінації при оптичному збудженні є мінюванню терагерцового діапазону. Потужність випромінювання світла на екситонних переходах, такого випромінювання нелінійно зростає зі збільале й необхідність реалізації лазерної генерації в шенням потужності накачки, і при дуже великій смузі випромінювання екситон-екситонного розсіпотужності накачки характер такої залежності вкаяння, тому що лише в такому випадку за рахунок зує лазерну генерацію випромінювання терагерміжекситонних зіткнень можна отримати інверсію цового діапазону. населеності на збуджених екситонних рівнях. Як Запропонований спосіб дозволяє створювати було показано в роботі (див. попередню роботу) досить малогабаритні лазерні генератори терагепри температурі рідкого азоту генерація смузі вирцового діапазону, є технологічним і легко дозвопромінювання екситон-екситонного розсіяння споляє розгорнути промислове виробництво таких стерігається при накачці ртутною лампою, в той пристроїв. час як для досягнення такої ж генерації при кімнатній температурі необхідно використовувати для Комп’ютерна верстка А. Крулевський Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601