eng
Выпуск #6/2025
И.А.Глинский, Д.С.Пономарев, М.В.Майтама, Р.А.Хабибуллин
КОМПАКТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ОТ 2 ДО 5 ТГц: ОТ ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА ДО КОММЕРЧЕСКОГО ПРОДУКТА
КОМПАКТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ОТ 2 ДО 5 ТГц: ОТ ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА ДО КОММЕРЧЕСКОГО ПРОДУКТА
Просмотры: 290
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.366.369
Сотрудники лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ и Отделения сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г.Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт" работают над созданием компактного и простого в использовании терагерцевого (ТГц) источника лазерного излучения, не требующего использования криогенных жидкостей.
Сотрудники лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ и Отделения сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г.Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт" работают над созданием компактного и простого в использовании терагерцевого (ТГц) источника лазерного излучения, не требующего использования криогенных жидкостей.
Теги: quantum cascade lasers stirling-based refrigerator terahertz range terahertz source квантово-каскадные лазеры рефрижератор на базе стирлинга терагерцевый диапазон терагерцевый источник
Получено: 29.07.2025 г. | Принято: 5.08.2025 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.366.369
Научная статья
Компактные источники терагерцевого излучения в диапазоне от 2 до 5 ТГц: от лабораторного образца до коммерческого продукта
И.А.Глинский1, 2, науч. сотр., инж., ORCID: 0000-0002-0477-608X / glinskiy.igor@yandex.ru
Д.С.Пономарев1, 2, к.ф.-м.н., доц., зам. рук. отдел., ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-9567-8927
М.В.Майтама2, инж., ORCID: 0000-0001-9405-0428
Р.А.Хабибуллин1, 2, к.ф.-м.н., доц., вед. науч. сотр., зав. лаб., ORCID: 0000-0002-8414-7653
Аннотация. Сотрудники лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ и Отделения сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г.Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт" работают над созданием компактного и простого в использовании терагерцевого (ТГц) источника лазерного излучения, не требующего использования криогенных жидкостей.
Ключевые слова: терагерцевый диапазон, терагерцевый источник, квантово-каскадные лазеры, рефрижератор на базе Стирлинга
Для цитирования: И.А. Глинский, Д.С. Пономарев, М.В. Майтама, Р.А. Хабибуллин. Компактные источники терагерцевого излучения в диапазоне от 2 до 5 ТГц: от лабораторного образца до коммерческого продукта. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 366–369. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.366.369.
ВВЕДЕНИЕ
Долгое время область электромагнитного спектра от 60 до 150 мкм (2–10 ТГц) оставалась малоизученной, что было связано с отсутствием источников излучения в данном частотном диапазоне. Появление в 2002 году первого квантово-каскадного лазера (ККЛ), демонстрирующего генерацию на частоте около 4 ТГц, стало революционным для освоения ТГц-диапазона. Первые образцы ТГц ККЛ работали при криогенных температурах, имели пиковые мощности в единицы мкВт и были предназначены только для работы в научных лабораториях. За последние 20 лет характеристики ТГц ККЛ существенно улучшились и теперь данные лазеры используют для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач [1–4]. С точки зрения практически значимых задач, ТГц источники на основе ККЛ востребованы для газовой спектроскопии с целью обнаружения сверхмалых концентраций различных веществ [5–7], а также в медицине и устройствах неразрушающего контроля качества диэлектрических объектов [8–10].
В последние годы источники ТГц-излучения на основе ККЛ начали появляться на мировом рынке в виде коммерческого продукта. С 2024 года в России, в МФТИ, Физтех, при поддержке федерального проекта "Развитие отечественного приборостроения гражданского назначения для научных исследований" ведется опытно-конструкторская работа по разработке ТГц-источника на основе ККЛ с рефрижератором Стирлинга. На рис.1 схематично представлена конструкция разрабатываемого прибора под названием "Тералазер". Соисполнитель данного ОКР, Отделение сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г.Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт", разрабатывает кристалл ККЛ, который монтируется на теплоотводе.
Разрабатываемый ТГц-источник способен формировать гауссовый пучок с узкой линией генерации на частотах 2–5 ТГц. При этом зонный дизайн лазера может быть разработан таким образом, что частота генерации будет совпадать с линиями поглощений объекта изучения, например, с линиями поглощений газов-поллютантов – угарный газ CO (1.607 ТГц), формальдегид CH2O (2.390 ТГц), оксид азота NO (3.0151 ТГц), аммиак NH3 (3.593 ТГц). Импульсная мощность ККЛ составляет более 0,1 мВт при длительности импульсов – от 1 мкс.
В ходе разработки "Тералазера" была реализована идея использования для охлаждения ККЛ компактных рефрижераторов на базе Стирлинга как с водяным, так и с воздушным охлаждением. Хладопроизводительность рефрижераторов Стирлинга позволяет поддерживать температуру около 77 К при тепловой нагрузке до 15–30 Вт. Также разработанное устройство "Тералазер" включает встроенную квазиоптическую систему фокусировки, обеспечивающую направленный и симметричный ТГц-пучок, что позволило достичь значения угловой расходимости пучка менее 30°. При этом масса прибора составляет всего 15 кг, а его габариты – всего 30 × 30 × 30 см, а значит, его легко использовать как в лаборатории, так и на производстве (рис.2).
Кроме самого устройства также был разработан блок управления питанием ККЛ (драйвер лазера), который позволяет задавать длительность и амплитуду импульсов напряжения (рис.3). Для управления ТГц-источником используется разработанное отечественное программное обеспечение (ПО), которое позволяет управлять работой рефрижератора Стирлинга и драйвера ККЛ. Взаимодействовать с прибором можно через компьютер, используя разработанное ПО.
ВЫВОДЫ
Таким образом, разрабатываемый ТГц-источник на основе ККЛ является полностью законченным устройством, не требующим закупки дополнительно оборудования для его работы, что позволяет внедрять его в самые разные отрасли исследований и на производстве.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку Федеральному проекту "Развитие отечественного приборостроения гражданского назначения для научных исследований" (ОКР "Тералазер"), а также государственному заданию НИЦ "Курчатовский институт", в рамках которого разрабатывалась составная часть ТГц-источника – ККЛ.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Khabibullin R.A. et al. Continuous-wave two-photon terahertz quantum cascade laser. J. Appl. Phys. 2024. Vol. 136. P. 194504.
Ponomarev D.S. et al. Optical-to-terahertz switches: state of the art and new opportunities for multispectral imaging. Phys. Usp. 2024. Vol. 67. PP. 3–21.
Ushakov D. et al. HgCdTe-based quantum cascade lasers operating in the GaAs phonon Reststrahlen band predicted by the balance equation method. Opt. Express. 2020. Vol. 28. No. 17. P. 25371.
Bagaev T.A. et al. 3.8 THz Quantum Cascade Laser Grown by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy. Tech. Phys. Lett. 2023. Vol. 49 (Suppl. 3). PP. S159-S162.
Irimajiri Y. et al. Multifrequency Heterodyne Detection of Molecules Using a Hot Electron Bolometer Mixer pumped by Two Phase-Locked THz-Quantum Cascade Lasers. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2020. Vol. 10. No. 5. PP. 474–479.
Jin Y. et al. Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode. Optica. 2020. Vol. 7. P. 708.
Rakic A.D. et al. Sensing and imaging using laser feedback interferometry with quantum cascade lasers. Applied Physics Reviews. 2019. Vol. 6. P. 021320.
Sampaolo A. et al. H2S quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor employing a liquid-nitrogen-cooled THz quantum cascade laser operating in pulsed mode. Photoacoustics. 2021. Vol. 21. P. 100219.
Consolino L. et al. Quantum cascade laser based hybrid dual comb spectrometer. Communications Physics. 2020. Vol. 3. No. 1. P. 69.
Dunn A. et al. High-speed modulation of a terahertz quantum cascade laser by coherent acoustic phonon pulses. Nat. Commun. 2020. Vol. 11. P. 835.
Franckie M. et al. Two-well quantum cascade laser optimization by non-equilibrium Green’s function modelling. Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 112. P. 021104.
Bosco L. et al. Thermoelectrically cooled THz quantum cascade laser operating up to 210 K. Appl. Phys. Lett. 2019. Vol. 115. P. 010601.
Khalatpour A. et al. High-power portable terahertz laser systems. Nat. Photonics. 2021. Vol. 15. PP. 16–20.
Научная статья
Компактные источники терагерцевого излучения в диапазоне от 2 до 5 ТГц: от лабораторного образца до коммерческого продукта
И.А.Глинский1, 2, науч. сотр., инж., ORCID: 0000-0002-0477-608X / glinskiy.igor@yandex.ru
Д.С.Пономарев1, 2, к.ф.-м.н., доц., зам. рук. отдел., ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-9567-8927
М.В.Майтама2, инж., ORCID: 0000-0001-9405-0428
Р.А.Хабибуллин1, 2, к.ф.-м.н., доц., вед. науч. сотр., зав. лаб., ORCID: 0000-0002-8414-7653
Аннотация. Сотрудники лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ и Отделения сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г.Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт" работают над созданием компактного и простого в использовании терагерцевого (ТГц) источника лазерного излучения, не требующего использования криогенных жидкостей.
Ключевые слова: терагерцевый диапазон, терагерцевый источник, квантово-каскадные лазеры, рефрижератор на базе Стирлинга
Для цитирования: И.А. Глинский, Д.С. Пономарев, М.В. Майтама, Р.А. Хабибуллин. Компактные источники терагерцевого излучения в диапазоне от 2 до 5 ТГц: от лабораторного образца до коммерческого продукта. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 366–369. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.366.369.
ВВЕДЕНИЕ
Долгое время область электромагнитного спектра от 60 до 150 мкм (2–10 ТГц) оставалась малоизученной, что было связано с отсутствием источников излучения в данном частотном диапазоне. Появление в 2002 году первого квантово-каскадного лазера (ККЛ), демонстрирующего генерацию на частоте около 4 ТГц, стало революционным для освоения ТГц-диапазона. Первые образцы ТГц ККЛ работали при криогенных температурах, имели пиковые мощности в единицы мкВт и были предназначены только для работы в научных лабораториях. За последние 20 лет характеристики ТГц ККЛ существенно улучшились и теперь данные лазеры используют для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач [1–4]. С точки зрения практически значимых задач, ТГц источники на основе ККЛ востребованы для газовой спектроскопии с целью обнаружения сверхмалых концентраций различных веществ [5–7], а также в медицине и устройствах неразрушающего контроля качества диэлектрических объектов [8–10].
В последние годы источники ТГц-излучения на основе ККЛ начали появляться на мировом рынке в виде коммерческого продукта. С 2024 года в России, в МФТИ, Физтех, при поддержке федерального проекта "Развитие отечественного приборостроения гражданского назначения для научных исследований" ведется опытно-конструкторская работа по разработке ТГц-источника на основе ККЛ с рефрижератором Стирлинга. На рис.1 схематично представлена конструкция разрабатываемого прибора под названием "Тералазер". Соисполнитель данного ОКР, Отделение сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г.Мокерова Центра перспективной микроэлектроники НИЦ "Курчатовский институт", разрабатывает кристалл ККЛ, который монтируется на теплоотводе.
Разрабатываемый ТГц-источник способен формировать гауссовый пучок с узкой линией генерации на частотах 2–5 ТГц. При этом зонный дизайн лазера может быть разработан таким образом, что частота генерации будет совпадать с линиями поглощений объекта изучения, например, с линиями поглощений газов-поллютантов – угарный газ CO (1.607 ТГц), формальдегид CH2O (2.390 ТГц), оксид азота NO (3.0151 ТГц), аммиак NH3 (3.593 ТГц). Импульсная мощность ККЛ составляет более 0,1 мВт при длительности импульсов – от 1 мкс.
В ходе разработки "Тералазера" была реализована идея использования для охлаждения ККЛ компактных рефрижераторов на базе Стирлинга как с водяным, так и с воздушным охлаждением. Хладопроизводительность рефрижераторов Стирлинга позволяет поддерживать температуру около 77 К при тепловой нагрузке до 15–30 Вт. Также разработанное устройство "Тералазер" включает встроенную квазиоптическую систему фокусировки, обеспечивающую направленный и симметричный ТГц-пучок, что позволило достичь значения угловой расходимости пучка менее 30°. При этом масса прибора составляет всего 15 кг, а его габариты – всего 30 × 30 × 30 см, а значит, его легко использовать как в лаборатории, так и на производстве (рис.2).
Кроме самого устройства также был разработан блок управления питанием ККЛ (драйвер лазера), который позволяет задавать длительность и амплитуду импульсов напряжения (рис.3). Для управления ТГц-источником используется разработанное отечественное программное обеспечение (ПО), которое позволяет управлять работой рефрижератора Стирлинга и драйвера ККЛ. Взаимодействовать с прибором можно через компьютер, используя разработанное ПО.
ВЫВОДЫ
Таким образом, разрабатываемый ТГц-источник на основе ККЛ является полностью законченным устройством, не требующим закупки дополнительно оборудования для его работы, что позволяет внедрять его в самые разные отрасли исследований и на производстве.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку Федеральному проекту "Развитие отечественного приборостроения гражданского назначения для научных исследований" (ОКР "Тералазер"), а также государственному заданию НИЦ "Курчатовский институт", в рамках которого разрабатывалась составная часть ТГц-источника – ККЛ.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Khabibullin R.A. et al. Continuous-wave two-photon terahertz quantum cascade laser. J. Appl. Phys. 2024. Vol. 136. P. 194504.
Ponomarev D.S. et al. Optical-to-terahertz switches: state of the art and new opportunities for multispectral imaging. Phys. Usp. 2024. Vol. 67. PP. 3–21.
Ushakov D. et al. HgCdTe-based quantum cascade lasers operating in the GaAs phonon Reststrahlen band predicted by the balance equation method. Opt. Express. 2020. Vol. 28. No. 17. P. 25371.
Bagaev T.A. et al. 3.8 THz Quantum Cascade Laser Grown by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy. Tech. Phys. Lett. 2023. Vol. 49 (Suppl. 3). PP. S159-S162.
Irimajiri Y. et al. Multifrequency Heterodyne Detection of Molecules Using a Hot Electron Bolometer Mixer pumped by Two Phase-Locked THz-Quantum Cascade Lasers. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2020. Vol. 10. No. 5. PP. 474–479.
Jin Y. et al. Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode. Optica. 2020. Vol. 7. P. 708.
Rakic A.D. et al. Sensing and imaging using laser feedback interferometry with quantum cascade lasers. Applied Physics Reviews. 2019. Vol. 6. P. 021320.
Sampaolo A. et al. H2S quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor employing a liquid-nitrogen-cooled THz quantum cascade laser operating in pulsed mode. Photoacoustics. 2021. Vol. 21. P. 100219.
Consolino L. et al. Quantum cascade laser based hybrid dual comb spectrometer. Communications Physics. 2020. Vol. 3. No. 1. P. 69.
Dunn A. et al. High-speed modulation of a terahertz quantum cascade laser by coherent acoustic phonon pulses. Nat. Commun. 2020. Vol. 11. P. 835.
Franckie M. et al. Two-well quantum cascade laser optimization by non-equilibrium Green’s function modelling. Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 112. P. 021104.
Bosco L. et al. Thermoelectrically cooled THz quantum cascade laser operating up to 210 K. Appl. Phys. Lett. 2019. Vol. 115. P. 010601.
Khalatpour A. et al. High-power portable terahertz laser systems. Nat. Photonics. 2021. Vol. 15. PP. 16–20.
Отзывы читателей
