Российская группа учёных впервые в мировом масштабе продемонстрировала генерацию терагерцовых импульсов с энергией до 5 пикоджоулей при разряде вакуумного фотодиода под действием фемтосекундного лазерного пучка. Исследование опубликовано в журнале Frontiers of Optoelectronics. В работе подробно проанализированы характеристики излучения, предложена полуаналитическая модель и выполнено численное моделирование в COMSOL Multiphysics.
Терагерцовое излучение (Т-волны) представляет собой инновационный тип электромагнитных колебаний: безопасные для живых тканей, они беспрепятственно проходят через дерево, пластик и керамику, но задерживаются металлами и хорошо поглощаются водой.
Исследования в области терагерцового диапазона ведутся с 1960–70-х годов, когда создали первые источники и приёмники. Сегодня эта отрасль переживает бурное развитие, открывая новые возможности в медицине, системах безопасности, беспроводной связи и материаловедении.
Существует множество подходов к генерации ТГц-излучения: от слабомощных источников до усиленных установок на основе различных физических эффектов.
Наибольшее распространение получили методы, основанные на взаимодействии лазерного излучения с материалом, однако появление принципиально новых генераторов способно значительно расширить диапазон применений.
Особый интерес представляют вакуумные фотодиоды: они отличаются высокой эффективностью и низкой стоимостью, что ценно для радиолокационных систем и воздействия на микроэлектронику. Гибкая настройка параметров лазера и напряжения питания позволяет варьировать характеристики терагерцовых импульсов.
В описанном эксперименте фотоэмиссионные электроны ускорялись внешним электрическим полем, что обеспечило сверхширокополосные терагерцовые импульсы с энергией до 5 пДж.
Суть метода: лазерный пучок, падая под углом на катод, выбивает электроны, которые, преодолев вакуум, достигают прозрачного для света анода и иниируют рождение электромагнитного импульса.
Авторы создали полуаналитическую модель, описывающую форму и мощность магнитных волн, а также их спектр, и сопоставили результаты с численным решением в COMSOL Multiphysics.
Численные и полуаналитические данные хорошо согласуются: небольшие расхождения объясняются преломлением ЭМИ на поверхности катода и анода.
В установке катодом служил медный диск с отверстием, анодом — кристаллический кварц с вакуумной плёнкой оксида индия-олова (ITO). Титан-сапфировый лазер формирует фемтосекундные импульсы, чья энергия и поляризация настраиваются полуволновой пластинкой и призмой Глана–Тейлора. Полученные Т-волны собирает ПТФЭ-линза и направляет на измерительную систему.
Для регистрации использовался болометр (0,3–15 ТГц) с полиэтиленовым фильтром на входном окне. При превышении порога болометра применяли широкополосные аттенюаторы, а в отдельных опытах — ячейку Голея GC-1P (Tydex LLC).
Экспериментальные спектры качественно совпали с модельными расчётами.
Угловое распределение показало, что свыше 80 % энергии распространяется в пределах ±20 °. Энергия импульсов не зависит от частоты повторения лазера (10–1000 Гц), а поляризация остаётся линейной и горизонтальной, определяется направлением тока.
С увеличением угла падения лазера энергия Т-импульсов возрастает, но при углах более 60 ° происходит обрезка пучка на апертуре. Для дальнейшего роста требуется расширять площадь фотодиода.
Максимальная зарегистрированная энергия составила ~5,5 пДж. Также исследовали зависимость отдачи от диаметра лазерного пучка.
Ключевые факторы фотодиода — ускоряющее поле и плотность испускаемого заряда. В моделировании и эксперименте рост этих параметров приводит к увеличению энергии терагерцового излучения.
«Наш метод генерации близок к подходу на основе фотопроводящих антенн: энергия Т-импульсов черпается не из лазерного пучка, а из предварительно накопленной электростатической энергии», — отмечает Павел Чижов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ. «Главное преимущество — большая накопленная энергия благодаря вакууму между электродами вместо полупроводниковой подложки, что обещает более высокую энергетическую отдачу. Для повышения эффективности потребуются более чувствительные фотокатоды».
Полученные результаты найдут применение при разработке новых источников ТГц-излучения для широкополосной неинвазивной томографии, визуализации, радиолокации и воздействия на электронику.
В работе приняли участие специалисты Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Физического института РАН, МФТИ и ВИНИТИ.
