Новый терагерцевый лазер установил рекорд мощности

Недавно разработанный терагерцевый лазер стал самым мощным в своём диапазоне излучения. Более того, применённую технологию можно будет использовать для повышения мощности лазеров самых разных диапазонов. О достижении сообщает научная статья, опубликованная в журнале Nature Communications командой во главе с Шушилом Кумаром (Sushil Kumar) из Лихайского университета в США.

Напомним, что всякое электромагнитное излучение имеет свою частоту. Если она составляет несколько гигагерц или ещё меньше, перед нами радиоволны. СВЧ-излучение, используемое в микроволновках, имеет чуть большую частоту (собственно, потому и называется сверхвысокочастотным). А ещё чуть дальше по спектру лежит терагерцевое излучение, за которым начинается уже инфракрасный диапазон, а после него – видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи.

Также нелишне упомянуть основной принцип работы лазера. Как известно, когда частица (в частности, электрон в атоме) переходит с высокого энергетического уровня на более низкий, излучается фотон, который и уносит "лишнюю" энергию.

В обычных условиях, чем выше энергетический уровень, тем меньше на нём частиц. Это можно представить себе как высокую гору, на которую непрерывно кто-то пытается взобраться, но чем выше, тем меньше альпинистов остаётся на маршруте, а до вершины доходят лишь самые стойкие.

Задача физика, конструирующего лазер, – сделать так, чтобы один из верхних уровней по каким-то причинам стал более населённым, чем нижний. Тогда скопившиеся на нём частицы будут готовы "по команде" все разом рухнуть вниз по энергетической лестнице, и испущенные ими фотоны сложатся в мощный импульс излучения.

В принципе, лазер можно создать для любого диапазона электромагнитных волн, хотя эта задача может быть сложной. Инфракрасные, оптические и ультрафиолетовые излучатели давно уже используются человеком. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали также о подобных установках в радиодиапазоне (мазерах) и рентгеновских лазерах.

Терагерцевые устройства пока находятся в стадии разработки. Потенциал у них велик. Подобные лазеры помогут в дистанционном химическом анализе, сканировании грузов (этот вид излучения легко проходит через картон и пластик), медицинских исследованиях. Однако прежде всего нужно создать достаточно мощный лазер. Хотя бы для того, чтобы компенсировать поглощение водяным паром, рассеянным в воздухе, на дистанции в несколько метров.

Команда Кумара добилась выходной мощности в 170 милливатт. Может показаться, что такой результат – не повод для гордости, но это рекорд для устройств данного типа.

Разработка исследователей представляет собой полупроводниковый лазер. Излучающей средой здесь служит кристалл полупроводника, а энергетические уровни связаны с его разрешёнными зонами.

Это стандартная технология, однако у авторов есть и ноу-хау. Слой полупроводника зажат между двумя слоями металла, верхним и нижним. Особое расположение отверстий в этих металлических слоях эффективно распределяет излучение по полупроводнику и заставляет его испускать всё новые фотоны. В этом и заключается секрет успеха. Говоря языком специалистов, эти слои металла с отверстиями представляют собой комбинированную брэгговскую решётку второго и четвёртого порядка, но довольно сложно объяснить эти слова, не вдаваясь в технические подробности.

Как уточняется в пресс-релизе исследования, авторы создали и испытали целую батарею миниатюрных излучателей. Каждый из них имеет длину около 1,5 миллиметра, ширину от 0,1 до 0,2 миллиметра и толщину 10 микрометров. Все вместе они и достигают нужной мощности.

Как отмечают авторы в аннотации к своей статье, использованный метод более эффективен, чем стандартные способы повысить интенсивность излучения. Кроме того, он может использоваться не только для терагерцевых устройств, но во многих других диапазонах.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" писали об уникальном лазере, позволившем заглянуть в глубины атома. Также мы рассказывали об установках, установивших рекорды мощности в отдельном импульсе и в среднем по времени.