Hamamatsu Photonics z powodzeniem opracował moc wyjściową kwantowego lasera kaskadowego (QCL), analizując zasadę generowania fal terahercowych, wykorzystując własną technologię projektowania optycznego Hamamatsu i wysokowydajne zewnętrzne rezonatory dyfrakcyjne. Pierwszy na świecie moduł QCL, który może generować fale terahercowe o dowolnej częstotliwości w zakresie 0,42 ~ 2THz.
Jak wygląda moduł QCL
Główne wyniki badań
1. Moc wyjściowa jest 5 razy wyższa niż poprzedni terahercowy nieliniowy QCL. Hamamatsu Photonics przeanalizował zasadę propagacji fali terahercowej wewnątrz terahercowego nieliniowego QCL i odkrył, że połączenie jego górnej powierzchni z soczewką krzemową o wysokiej rezystancji może poprawić wydajność generowania fal terahercowych i wykorzystało technologię wzrostu kryształów zgromadzoną przez lata. Technologia procesu półprzewodnikowego optymalizuje strukturę wewnętrzną, aby zwiększyć szczytową moc wyjściową w punkcie częstotliwości 1THz do poziomu poniżej miliwata, który jest ponad 5 razy większy niż w przypadku tradycyjnego nieliniowego QCL.
2. Pierwszy na świecie moduł QCL z regulacją częstotliwości 0,42 ~ 2 THz. Hamamatsu Photonics przeprowadziło dogłębne badania nad materiałem filmu antyrefleksyjnego na górnej powierzchni terahercowego nieliniowego QCL. Jednocześnie, dzięki unikalnej technologii projektowania optycznego, pasująca siatka dyfrakcyjna jest ustawiana poza QCL, tworząc rezonator, a nachylenie jest kontrolowane przez urządzenia elektryczne. Zrealizowano pierwszy na świecie moduł QCL zdolny do generowania dowolnych fal terahercowych w zakresie od 0,42 do 2 THz w temperaturze pokojowej.
Wskazanie przełączania częstotliwości
Zasada przełączania częstotliwości: Wiązka laserowa w średniej podczerwieni emitowana z terahercowego nieliniowego QCL odbija się w kratce dyfrakcyjnej. W tym przypadku przełączanie częstotliwości fali THz osiąga się poprzez elektryczne sterowanie siatką dyfrakcyjną i zmianę nachylenia.
Tło badawczo-rozwojowe
Ze względu na różne składniki zawarte w badanej próbce, częstotliwość fal terahercowych, które są łatwo absorbowane, również będzie inna. Wykorzystując tę cechę, oczekuje się, że wyniki badań zostaną wykorzystane do oceny jakości i nieniszczącej analizy próbek. Ponadto, ponieważ fale terahercowe mają wyższą częstotliwość niż pasmo częstotliwości używane przez standard szybkiej komunikacji "5G", oczekuje się, że produkt ten będzie również używany do następnej generacji komunikacji "6G".
W 2018 roku Hamamatsu Photonics opracował terahercowy nieliniowy QCL, wykorzystując unikalną technologię projektowania struktury kwantowej, wykorzystując anty-krzyżową podwójną konstrukcję stanu wysokoenergetycznego (AnticrossDAUTM). Ten terahercowy nieliniowy QCL może zmieniać częstotliwość fali terahercowej i napromieniowywać ją zgodnie ze składnikami zawartymi w próbce, a następnie poprawiać dokładność analizy zgodnie z szybkością absorpcji. Jednak obecnie nie ma półprzewodnikowego laserowego źródła światła, które mogłoby osiągnąć zmianę częstotliwości w jednym module. Dlatego Hamamatsu Photonics bada i rozwija moduły QCL zmieniające częstotliwość.
Podsumowanie osiągnięć badawczo-rozwojowych
W tym raporcie badawczym Hamamatsu Photonics przeanalizował zasadę generowania fal terahercowych w QCL i zoptymalizował strukturę wewnętrzną za pomocą technologii wzrostu kryształów i technologii procesu półprzewodnikowego nagromadzonej przez lata. W tym samym czasie przeanalizowano również zasadę propagacji fali terahercowej wewnątrz QCL i stwierdzono, że połączenie między górną powierzchnią a soczewką krzemową o wysokiej rezystancji może poprawić wydajność generowania fal terahercowych i zwiększyć moc wyjściową do ponad 5 razy więcej niż w przeszłości. Łącząc unikalną technologię projektowania optycznego Hamamatsu Photonics i dopasowując QCL do odpowiedniej siatki dyfrakcyjnej, powstaje wydajny rezonator zewnętrzny, a następnie nachylenie jest zmieniane przez elektryczne sterowanie siatką dyfrakcyjną, realizując w ten sposób pierwszy na świecie moduł QCL 0,42 ~ A, który generuje fale terahercowe o dowolnych częstotliwościach w zakresie 2THz.
Wyniki tego badania pokazują, że w przypadku różnych częstotliwości absorpcji różnych składników w badanej próbce, użycie modułu do przełączania częstotliwości i napromieniania wąskopasmowych fal terahercowych w celu sprawdzenia szybkości absorpcji każdego składnika może poprawić leki, żywność i materiały półprzewodnikowe. ocena jakości i dokładność badań nieniszczących. Ponadto oczekuje się, że będzie on również stosowany do identyfikacji wysokocząsteczkowych materiałów polimerowych, takich jak tworzywa sztuczne, które wcześniej nie były łatwe do zidentyfikowania. Następnie Hamamatsu Photonics będzie również nadal dogłębnie badać strukturę rozpraszania ciepła QCL, dążąc do osiągnięcia stabilnej i ciągłej pracy fal THz. Oczekuje się, że fale THz będą wykorzystywane w dziedzinach takich jak radioastronomia do obserwacji wszechświata, a prędkość transmisji danych osiągnie setki gigabitów na sekundę. Zastosowanie w kierunku rozwoju ultraszybkiej komunikacji bezprzewodowej na krótkim dystansie o dużej pojemności.
W przyszłości Hamamatsu Photonics wykorzysta również swoją unikalną technologię systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), aby zmniejszyć moduły QCL do wielkości opuszka palca.
