Лабораторные образцы терагерцовых квантово-каскадных лазеров были впервые продемонстрированы в 2002 году и сразу показали свои преимущества: компактность, работа в широком диапазоне частот, на несколько порядков большая выходная мощность по сравнению с альтернативными ТГц-источниками. Несмотря на это, лазеры пока не нашли широкого применения в прикладных задачах из-за своей высокой стоимости. Их дороговизна связана с длительным ростом многослойных лазерных структур и сложностью постростовой технологии изготовления лазеров этого типа, то есть с отсутствием полного цикла промышленного изготовления конечного продукта. Исследователи планируют заменить дорогостоящий метод молекулярно-лучевой эпитаксии для роста лазерных структур на более дешевый и промышленно ориентированный метод МОС-гидридной эпитаксии.
Ранее этим методом ученые ИСВЧПЭ РАН и АО «НИИ “Полюс” имени М. Ф. Стельмаха»
успешно продемонстрировали возможность роста многослойных гетероструктур на основе полупроводников III–V групп (GaAs/AlGaAs) для терагерцовых квантово-каскадных лазеров. Кроме того, разработчики намерены реализовать ориентированные на промышленность постростовые технологии для лазеров с двумя типами волноводов — двойным металлическим волноводом для эксплуатации при повышенных температурах (более 70 К) и поверхностно-плазмонным волноводом для создания мощных терагерцовых источников. Сегодня уже реализованы лабораторные аналоги, но для внедрения на промышленное предприятие потребуется большая работа по оптимизации всех постростовых процессов и их адаптации к производственной линейке АО «НИИ “Полюс” имени М. Ф. Стельмаха».
Терагерцовые квантово-каскадные лазеры. Источник: пресс-служба ИСВЧПЭ РАН
В рамках проекта ученые планируют зарегистрировать два патента, создать экспериментальную партию из 20 и более лазерных чипов с разными типами волноводов. Заявленные параметры разрабаты ваемых приборов (рабочие частоты и температуры, выходная мощность излучения и другие) не уступают зарубежным коммерческим образцам. За счет использования оригинальных лазерных схем (зонных дизайнов) для активной области квантово-каскадных лазеров можно будет генерировать свет в двух спектральных диапазонах, что на сегодняшний день не реализовано в коммерческом продукте.
Кроме того, команда исследователей намерена сконструировать экспериментальный стенд и методику для измерения лазерных характеристик, а также предложить техническое задание на ОКР, по результатам которой должен начаться выпуск мелкой серии продуктов.
Разваренный кристалл терагерцового квантово-каскадного лазера с поверхностно-плазмонным волноводом. Источник: пресс-служба ИСВЧПЭ РАН
Созданные в результате совместной работы лазеры могут применяться в задачах терагерцовой визуализации в реальном времени, высокоразрешающей газовой спектроскопии, мультиспектральном зондировании удаленных объектов, в том числе в межзвездной среде космоса, контроле содержания влаги в растениях и исследованиях верхней атмосферы Земли для анализа и прогноза климатических изменений.
Создание недорогих терагерцовых источников позволит сделать прорывные открытия в вопросах о происхождении нашей Галактики, создать системы экологического мониторинга c чувствительностью на уровне млрд-1, разработать новые медицинские системы диагностики онкологических заболеваний и совершить революционный переход к системам беспроводной связи с пропускной способностью более 1 Тбит / с.
Руководитель проекта – Рустам Хабибуллин, кандидат физико-математических наук, Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН
Заказчик – АО «НИИ “Полюс” имени М. Ф. Стельмаха»
Прикладной проект «Технология изготовления квантово-каскадных лазеров с двойным металлическим и поверхностно-плазмонным волноводами для генерации в терагерцовом диапазоне (от 2 до 5 ТГц)» (№ 23-91-06600) поддержан грантом Российского научного фонда.
Карточка фундаментального проекта: https://rscf.ru/project/19-79-10240/
