В течение многих лет терагерцовая часть спектра оставалась неиспользованной, что привело к появлению термина «терагерцовый промежуток». Исследование, недавно опубликованное в Optics Letters Отделом фемтосекундной спектроскопии Окинавского института науки и технологий (OIST), предлагает одно возможное решение этой проблемы: метод повышения эффективности устройств на основе терагерцового излучения на основе арсенида галлия (GaAs). .ТГц излучение находится между инфракрасным и микроволновым излучением в электромагнитном спектре. Он поглощается водой, что ограничивает использование устройств ТГц диапазона в атмосфере Земли, насыщенной водяным паром, на короткие расстояния, но он может проникать через ткани, бумагу, картон, пластик, дерево и керамику.
Многие материалы имеют уникальный «отпечаток пальца» в терагерцовом диапазоне, позволяющий легко идентифицировать их с помощью терагерцовых сканеров. Более того, в отличие от рентгеновских лучей и ультрафиолета, ТГц излучение безопасно для живых тканей и ДНК благодаря своим неионизирующим свойствам. Технология ТГц может стать следующим важным прорывом в медицине, безопасности, химии и информационных технологиях.
Генерация терагерцовых волн затруднена, поскольку частота слишком высока для обычных радиопередатчиков, но слишком мала для оптических передатчиков, как большинство лазеров. Поэтому исследователям приходится придумывать новые инновационные устройства.Одним из наиболее часто используемых ТГц излучателей является фотопроводящая антенна, состоящая из двух электрических контактов и тонкой пленки полупроводника, часто GaAs, между ними.
Когда на антенну воздействует короткий импульс лазера, фотоны возбуждают электроны в полупроводнике, и возникает короткая вспышка ТГц излучения. Таким образом энергия лазерного луча преобразуется в электромагнитную волну ТГц диапазона.Исследователи OIST показали, что микроструктура поверхности полупроводника играет важную роль в этом процессе.
Фемтосекундная лазерная абляция, при которой материал подвергается воздействию ультракоротких всплесков высокой энергии, создает канавки и рябь микрометрового размера на поверхности GaAs. «Эта рябь попадает в ловушку света», — говорит Афанасиос Маргиолакис, студент-исследователь OIST. Поскольку аблируемый материал поглощает больше света, эффективность излучения ТГц излучения при достаточно мощном лазере увеличивается на 65%.Меняются и другие свойства материала. Например, аблированный GaAs показывает только треть электрического тока неаблированного GaAs. «Мы наблюдаем противоречащие интуиции явления, — пишут исследователи. — Обычно ожидается, что материал, демонстрирующий более высокий фототок, даст лучший ТГц излучатель».
Они объясняют это явление более коротким временем жизни носителей. То есть электроны в аблированных образцах возвращаются в невозбужденное состояние намного быстрее, чем в контрольных образцах.
Д-р Жюльен Мадео, один из членов команды OIST, говорит, что «абляция фемтосекундным лазером позволяет нам конструировать свойства материалов и преодолевать их внутренние ограничения, приводящие, например, к почти 100% -ному поглощению фотонов, а также к более широкой полосе поглощения. , управление концентрацией электронов и временем жизни ". Этот метод является быстрой и недорогой альтернативой существующим методам производства материалов для ТГц приложений.