Коллектив российских ученых впервые в мире провел экспериментальную демонстрацию генерации импульсов терагерцового излучения с энергией до 5 пДж при разрядке вакуумного фотодиода фемтосекундными лазерными импульсами. Работа опубликована в журнале Frontiers of Optoelectronics. В исследовании было успешно сгенерировано терагерцовое излучение с помощью вакуумного фотодиода, измерены и исследованы характеристики терагерцовых импульсов, построены полуаналитическая модель и модель в COMSOL Multiphysics.
Терагерцовое излучение (Т-лучи) — это новый захватывающий фронтир в мире науки и технологий. Этот уникальный вид электромагнитного излучения обладает поистине удивительными свойствами. В отличие от ионизирующего излучения, оно безвредно для человека, но при этом легко проникает сквозь многие материалы, такие как дерево, пластик и керамику, что открывает широкие возможности для самых разнообразных применений. Однако стоит отметить, что такое излучение не пропускается металлами и эффективно поглощается водой.
Интерес к Т-лучам стремительно растет с 1960-70-х годов, когда были созданы первые источники и детекторы этого типа волн. И сегодня, в начале XXI века, это направление переживает настоящий бум, демонстрируя огромный потенциал во множестве отраслей — от медицины и безопасности до связи и материаловедения. Революционные возможности терагерцового излучения открывают перед нами совершенно новые горизонты познания и технологического развития.
Существует множество работ, посвященных принципам генерации ТГц-излучения. Сначала были освоены источники излучения малой мощности, затем ученые смогли научиться создавать все более мощные Т-лучи, используя различные физические принципы.
Уже широко используются методы генерации, основанные на взаимодействии лазерного света с веществом. Однако разработка новых, более совершенных типов источников может дать мощный импульс развитию этих технологий.
Один из перспективных подходов — использование вакуумных фотодиодов. Такие источники отличаются высокой эффективностью и низкой стоимостью, что делает их крайне привлекательными для многих приложений, включая радиолокацию и воздействие на электронику. Возможность гибкой настройки параметров излучающего элемента, выбора источников света и питания открывает широкие перспективы для создания разнообразных устройств, генерирующих мощные электромагнитные импульсы в СВЧ-диапазоне. Использование сверхкоротких лазерных импульсов позволяет получать терагерцовое излучение с уникальными характеристиками.
В работе коллектива российских ученых ускорение фотоэмиссионных электронов внешним электрическим полем позволило получать сверхширокополосные электромагнитные импульсы с энергией до 5 пикоджоулей в терагерцовом диапазоне.
Исследователи использовали следующую схему генерации Т-лучей: луч лазера падает под углом к катоду и выбивает из него электроны. Электроны попадают в вакуум и ускоряются за счет внешнего электрического поля. Анод, к которому они стремятся, устроен таким образом, что он прозрачен для света, но поглощает все падающие на него электроны, и при этом происходит генерация электромагнитного импульса.
Рисунок 1. Схема генерации ЭМИ излучения при электронной эмиссии в вакуумном фотодиоде. Источник: Frontiers of Optoelectronics
Ученые составили полуаналитическую модель, которая позволяет определить форму и интенсивность волн магнитного поля, а также спектр. Они смоделировали весь процесс с помощью программного пакета моделирования COMSOL Multiphysics и сравнили результаты.
Рисунок 2. Формы волн магнитного поля на основе полуаналитической модели и численного моделирования в COMSOL Multiphysics при отношении 0,03 испускаемой плотности заряда к запасенной на катоде и ускоряющем напряжении 5 киловольт. Источник: Frontiers of Optoelectronics
Рисунок 3. Спектр Фурье электромагнитного импульса при отношении 0,03 испускаемой плотности заряда к запасенной на катоде и ускоряющем напряжении 5 киловольт. Источник: Frontiers of Optoelectronics
Оказалось, что результаты численного моделирования и графики, построенные согласно полуаналитической модели, согласуются друг с другом, а различие между ними обусловлено преломлением электромагнитного излучения на катоде и аноде.
В эксперименте в качестве катода использовался медный диск с небольшим отверстием, а в качестве анода — кристаллический кварц с нанесенной на вакуумную сторону пленкой оксида индия и олова (ITO).Титан-сапфировый лазер испускает импульсное излучение, энергия и поляризация которого контролируется полуволновой пластинкой и призмой Глана — Тейлора. Этот луч попадает в вакуумный фотодиод, который испускает терагерцовые импульсы. Для сбора Т-излучения используется плосковыпуклая линза, изготовленная из политетрафторэтилена, которая фокусирует эти лучи и направляет их на измерительную систему (детектор).
Рисунок 4. Схема экспериментальной установки для получения терагерцовых импульсов. Источник: Frontiers of Optoelectronics
В работе применялся болометрический детектор, рабочий спектральный диапазон которого составлял 0,3–15 ТГц. При этом перед входным окном детектора размещался фильтр из полиэтилена высокой плотности, не пропускающий оптическое излучение. В ряде экспериментов, когда энергия ТГц превышала порог насыщения болометра, перед входным окном болометра располагался набор широкополосных аттенюаторов с известным пропусканием. В нескольких экспериментах вместо болометра ученые также использовали ячейку Голея (GC-1P производства Tydex LLC), когда регистрируемые энергии ТГц-излучения превышали порог обнаружения для данного детектора.
Экспериментально полученные спектры качественно совпали с результатами моделирования.
Рисунок 5. Экспериментально полученные спектры. Желтые звездочки соответствуют экспериментально полученным данным с использованием полосовых ТГц-фильтров. Источник: Frontiers of Optoelectronics
Рисунок 6. Результаты численного моделирования спектров ЭМИ в COMSOL Multiphysics. Источник: Frontiers of Optoelectronics
В работе было оценено угловое распределение излучения: оказалось, что больше 80 процентов энергии распространяется в пределах углов не более 20 градусов. Ученые смогли определить, что энергия регистрируемых импульсов не зависит от частоты повторения лазерных импульсов в диапазоне 10–1000 Гц, а их поляризация линейна и горизонтальна и определяется направлением тока в фотодиоде.
Увеличивая угол падения лазерного луча, удалось достичь значительного роста энергии терагерцовых импульсов. Однако оказалось, что углы падения более 60° приводят к отсечению оптического излучения на апертуре фотодиода, используемой в экспериментах. Проще говоря, для увеличения угла, а значит, и энергии импульсов требуется увеличивать площадь фотодиода.
Рисунок 7. Зависимость энергии выходных импульсов от угла наклона лазерного луча, падающего на фотодиод. Непрерывные линии — функции аппроксимации, пропорциональные квадрату тангенса угла. Источник: Frontiers of Optoelectronics
Максимальная энергия Т-лучей в этих экспериментах составила около 5,5 пДж. Также была измерена зависимость энергии импульсов от диаметра лазерного луча.
Рисунок 8. Зависимость энергии выходных импульсов от диаметра лазерного луча, падающего на фотодиод. Источник: Frontiers of Optoelectronics
Наиболее важные параметры вакуумного фотодиода — приложенное внешнее электрическое поле и плотность излучаемого заряда. Поэтому исследователи построили зависимость энергии испускаемых импульсов и от них тоже. И в моделировании, и в эксперименте рост обоих параметров ведет к росту энергии терагерцового излучения.
Рисунок 9. Зависимость энергии выходных импульсов от приложенного к фотодиоду ускоряющего электрического поля. Источник: Frontiers of Optoelectronics
Рисунок 10. Зависимость энергии выходных импульсов от плотности испускаемого в вакуум электрического заряда. Источник: Frontiers of Optoelectronics
«Продемонстрированный нами метод генерации терагерцового излучения схож с широко распространенным методом генерации на основе фотопроводящих антенн в том, что энергия ТГц-импульсов черпается из запасенной электростатической энергии, а не из энергии лазерного импульса, — рассказал Павел Чижов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ. — Преимуществом предложенного метода является потенциально большая запасенная энергия за счет вакуума между электродами (катод — анод) вместо полупроводниковой подложки (в случае фотопроводящих антенн), а следовательно, и более высокая энергетика излучаемых терагерцовых импульсов. Однако при создании эффективных источников необходимо использование более продуктивных фотокатодов для снижения энергии инициирующих лазерных импульсов».
Все полученные результаты могут быть полезны при разработке новых источников ТГц-излучения для задач широкополосной неинвазивной томографии, визуализации, радиолокации и силовых воздействий на электронику.
В работе принимали участие ученые из Института общей физики им. Прохорова РАН, Физического института РАН, МФТИ и Всероссийского института научной и технической информации.
