Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В настоящем проекте исследуются квантово-каскадные лазеры терагерцевого диапазона (ТГц ККЛ) с модуляцией усиления в лазерном волноводе за счет прямой СВЧ-модуляции подаваемого тока (или, что эквивалентно, напряжения смещения). Для достижения данной цели в ходе выполнения 1-го этапа НИР, во-первых, были измерены S11 параметры серии полоскóв ТГц ККЛ с двойным металлическим волноводом, длина которых варьируется от 0,5 до 3,0 мм. Знание S11 параметров ТГц ККЛ необходимо для дальнейшего проектирования СВЧ-развязывающего устройства для модуляции тока инжекции ТГц ККЛ. Во-вторых, было в первом приближении спроектировано СВЧ-развязывающее устройство (в англоязычной терминологии “bias-tee”) для модуляции ТГц ККЛ на частотах в диапазоне 20,0 – 34,6 ГГц. Как упоминалось в предыдущем абзаце, проникновение СВЧ-сигнала внутрь лазерного резонатора было исследовано в диапазоне частот 0 – 67 ГГц, в зависимости от длины резонатора, которая меняется в диапазоне 0,5 – 3,0 мм). Выявлена обратно пропорциональная зависимость между длиной резонатора L и резонансными частотами fn (n = 1, 2, 3), при которых СВЧ-сигнал максимально проникает внутрь: f1 = f, f2 = 2·f, f3 = 3·f, f ~ 1/L. Наилучшее согласование наблюдалось на первой резонансной частоте. При проектировании СВЧ-развязывающего устройства для подачи на ККЛ СВЧ-модулированного постоянного напряжения необходимо ориентироваться на частоту передаваемого СВЧ-сигнала: для передачи сигнала частотой до 18 ГГц используются стандартные коаксиальные соединители SMA, в то время как для передачи сигнала с большей частотой потребуются более дорогие SMA с расширенным до 27 ГГц частотным диапазоном. Поэтому с точки зрения СВЧ техники проще модулировать ККЛ с длинными резонаторами, так как они обладают низкими собственными частотами: ~ 15 ГГц для резонатора длиной 3 мм, ~ 22 ГГц для резонатора длиной 2 мм, ~ 45 ГГц для резонатора длиной 1 мм. Однако СВЧ-мощность хуже проникает в длинные лазерные резонаторы. Таким образом, представляется оптимальным для модуляции выбрать ККЛ с резонатором длиной не менее 1,8 мм и не более 2 мм, модулируя подаваемое на них напряжение с частотой в диапазоне 22,4 – 24,8 ГГц. Также в настоящем проекте исследуется возможность модуляции поглощения с помощью быстрого насыщающегося поглотителя (гетероструктура со множественными квантовыми ямами, по существу – та же ТГц ККЛ гетероструктура), реализованного в виде отдельной, пассивной секции резонатора. Для достижения данной цели в ходе выполнения 1-го этапа НИР изготовлены три кристалла ТГц ККЛ с двухсекционным резонатором. Длина активной секции резонатора ТГц ККЛ составляла 1,8 мм; воздушный зазор между активной и пассивной секциями резонатора – 4 мкм; длина пассивной секции резонатора – 0,20 мм, 0,25 мм, 0,30 мм; ширина резонатора – 100 мкм. Также была промоделирована временнáя динамика ТГц-поля внутри двухсекционного резонатора; оценена предельная длительность ультракоротких ТГц-импульсов – около 1.63 пс; оценено влияние внутренних потерь, вносимых легированием квантовых ям квантово-каскадной гетероструктуры, однородным легированием, приложенным смещением, на спектр излучения двухсекционного ТГц ККЛ. Поскольку модуляция усиления активной среды ККЛ (физически реализуется через модуляцию тока инжекции ККЛ) на частоте обхода резонатора импульсом излучения открывает возможность для работы лазера в режиме синхронизации мод и для формирования ультракоротких лазерных импульсов, актуальным является исследование особенностей взаимодействия ультракоротких ТГц-импульсов с веществом. В свете этого выполнено теоретическое исследование взаимодействия ультракоротких ТГц-импульсов с такими резонансными системами, как поперечные оптические фононы в полупроводнике GaAs.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На основании экспериментальных измерений коэффициента отражения модулирующего СВЧ-сигнала от полоскóв ТГц ККЛ с резонатором Фабри – Перо на торцевых сколах длиной 0,5 – 3,0 мм на двойном металлическом волноводе в диапазоне до 67 ГГц, проведённых на 1-ом этапе НИР, были определены значения входного импеданса этих полоскóв на резонансных частотах. Резонансные частоты соответствуют образованию стоячих волн в полоскáх, когда у торцов полоскá находятся узлы стоячей волны, а на длине полоскá укладывается целое число полуволн. Первая резонансная частота соответствует расстоянию между модами резонатора Фабри – Перо на спектре излучения ТГц ККЛ, а также времени полного обхода резонатора световым импульсом (“round-trip frequency”); для лазерного полоскá длиной 2 мм первая резонансная частота составляет 22,4 ГГц. Переход ТГц ККЛ в режим синхронизации мод требует модуляции питания лазера на первой резонансной частоте. Показано, что на резонансных частотах реальная часть импеданса ТГц ККЛ имеет локальный максимум, мнимая часть импеданса близка к нулю, а отражение СВЧ-сигнала от резонатора минимально. Была спроектирована печатная плата, согласующая 50-омный СВЧ-кабель и разваренный на плату полосóк ТГц ККЛ. Собран модуль СВЧ-модуляции терагерцевых квантово-каскадных лазеров, включающий в себя изготовленную согласующую печатную плату, развязывающее устройство (в англоязычной литературе – “bias-tee”) для ввода постоянного напряжения в радиочастотный тракт, соединительные кабельные сборки, СВЧ-генератор с частотой до 67 ГГц. Измерен коэффициент отражения модулирующего СВЧ-сигнала от ТГц ККЛ, разваренного на согласующую плату на частотах до 67 ГГц. Исследован модовый состав излучения ТГц квантово-каскадных лазеров с двухсекционным резонатором, изготовленных на 1-ом этапе НИР: длинная секция 1,8 мм и короткая секция 0,20; 0,25; 0,30 мм шириной 100 мкм разделены воздушным зазором 4 мкм. Степень одномодовости оценивают логарифмом отношения интенсивности излучения с определённой частотой к интенсивности излучения с любой другой частотой (“side mode supression ratio”, SMSR). Величина SMSR измеряется в дБ. Показано, что без подачи напряжения на короткую секцию резонатора достигается одномодовый режим генерации ТГц ККЛ с SMSR > 20 дБ в определённой области температур и токов инжекции, а приложение небольшого напряжения к короткой секции (от -2 до -10 В) приводит к практически полному погасанию генерации. Разработана математическая модель взаимодействия электромагнитного поля ультракоротких лазерных импульсов с веществом в газовой фазе, а именно: с молекулами HF (в данном случае несущая частота лежит в ближнем инфракрасном диапазоне, длина волны 2,3–2,7 мкм, длительность импульсов 01–10 пс); с электроном, налетающим на многозарядный Li-подобный ион кислорода О5+, когда частота лазерного излучения близка к одной из собственных частот перехода в электронном остове иона и взаимодействие осуществляется через электронный остов мишени (в данном случае несущая частота лежит в рентгеновском диапазоне, длина волны 14 нм, длительность импульсов порядка фемтосекунд). Разработанная модель позволяет предсказать полный коэффициент поглощения (в первом случае) и вклад поляризационного механизма в тормозной эффект (во втором случае) в зависимости от несущей частоты и длительности ультракоротких импульсов.