СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ НЕПРЕРЫВНОГО КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЧАСТОТОЙ 2,52 ТГЦ Российский патент 2021 года по МПК H01S3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для генерации когерентного терагерцового электромагнитного излучения.

Уровень техники

Известно большое количество способов генерации терагерцового излучения на основе преобразования излучения импульсных лазеров с помощью нелинейных оптических сред, являющихся аналогами данного изобретения (патент РФ №2539678, опубл. 20.01.2015; патент США №9568804, опубл. 14.02.2017; патент на полезную модель РФ №187069, опубл. 18.02.2019). Общим недостатком этих аналогов является импульсный характер получаемого терагерцового излучения, обусловленный использованием нелинейно-оптических преобразований, требующих значительной интенсивности возбуждающего излучения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ генерации терагерцового излучения, описанный в статье (Chevalier, P., et al. «Widely tunable compact terahertz gas lasers», Science 366.6467 (2019): 856-860. DOI: 10.1126/science.aay8683), где экспериментально показана возможность генерации терагерцового излучения при накачке вращательных переходов различных молекул излучением квантово-каскадных лазеров. При этом используется то обстоятельство, что при комнатной температуре колебательные состояния многоатомных молекул различных газов практически не заселены. Поэтому при облучении лазером с длиной волны, попадающей в резонанс с каким-либо колебательно-вращательным переходом, легко получить инверсию между вращательными переходами верхнего по энергии колебательного состояния. Разность энергий вращательных состояний (порядка 10-100 см^-1), участвующих в генерации, соответствует единицам терагерц, поэтому, помещая такую среду в резонатор, можно получить вынужденное излучение терагерцового диапазона.

Недостатком этого способа является применение для накачки излучения среднего и дальнего инфракрасного диапазона, требующие использования специальных оптических материалов и приемников излучения. Кроме того, эти лазеры работают при низких давлениях активной среды, когда ширина линии поглощения определяется только эффектом Доплера и составляет не более сотен мегагерц. Это требует применения лазера накачки с очень узкой спектральной линией, что усложняет его конструкцию и ограничивает доступную мощность излучения.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств за счет генерации непрерывного когерентного излучения терагерцового диапазона с использованием накачки излучением ближнего инфракрасного диапазона.

Для решения этой задачи в настоящем изобретении предложен способ генерации непрерывного когерентного излучения терагерцового диапазона, в котором: осуществляют взаимодействие направленного возбуждающего излучения с активной средой образца; при этом в качестве активной среды используют низкотемпературную плазму в газовой смеси ксенона с гелием, в которой нарабатываются метастабильные атомы ксенона в состоянии Xe(ls₅); помещают активную среду в терагерцовый резонатор; в качестве направленного возбуждающего излучения используют излучение с длиной волны 980 нм или 904,5 нм, благодаря чему осуществляют оптическую накачку перехода в атомах ксенона, соответственно, ls₅ → 2р₁₀ либо ls₅ → 2р₉ с последующей столкновительной релаксацией в состояние 2р₁₀; получают непрерывное когерентное излучение с частотой 2,52 ТГц, генерируемое на переходе 2р₁₀ → ls₂, вследствие образования инверсной заселенности состояния Хе(2р₁₀) относительно состояния Xe(ls₂) в результате оптической накачки.

Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что содержание ксенона в смеси ксенона с гелием может составлять 1-3 молярных %.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показаны низшие энергетические уровни электронов в атоме ксенона.

На Фиг. 2 приведена схема установки для реализации способа по настоящему изобретению.

Подробное описание

Терагерцовым (ТГц) излучением называется электромагнитное излучение в интервале частот от 0,3 до 10 ТГц, т.е. 0,3×10¹² - 10×10¹² Гц (длина волны 1 мм - 30 мкм). Этот частотный интервал занимает часть электромагнитного спектра между инфракрасным (ИК) и микроволновым диапазонами, поэтому его часто также называют дальним ИК или субмиллиметровым диапазоном. В терагерцовом диапазоне лежат спектры излучения астрономических объектов, а также спектры сложных органических молекул (таких как молекулы белков и ДНК, некоторых взрывчатых веществ, вредных веществ - загрязнителей атмосферы). Современные технологии позволяют создавать квантово-размерные объекты, такие как квантовые точки. Энергии возбуждения квантовых точек соответствуют энергии фотонов терагерцового излучения, поэтому с его помощью можно когерентно управлять такими объектами. Терагерцовое излучение безвредно для человека, что позволяет применять его для медицинской диагностики, в современных системах безопасности, экологического мониторинга, для контроля качества медикаментов и продуктов питания, высокоскоростной связи.

Известные способы получения когерентного излучения основаны на использовании явления индуцированного излучения. Индуцированные переходы происходят при воздействии на квантовую систему внешнего электромагнитного поля на частоте переходов между квантовыми уровнями системы. Принципиальной особенностью известных способов является необходимость создания и поддержания инверсной населенности квантовых уровней системы путем энергетической накачки за счет внешнего воздействия. Известны разные способы накачки: вспомогательным излучением, разрядом электрического тока, химическим либо другим воздействием. Среда с инверсной населенностью находится в неравновесном состоянии, и при условии, что населенность вышележащих уровней превышает населенность нижележащих уровней, внешнее резонансное излучение вызывает генерацию когерентного излучения.

На Фиг. 1 приведена условная схема, иллюстрирующая энергетические уровни электронов в атоме ксенона (Хе) и переходы между этими уровнями. Стрелки вверх - оптическая накачка, стрелки вниз: сплошная - излучение, пунктирные - столкновительные переходы 2р₉ → 2р₁₀ и ls₂ → ls₃.

Состояние ls₂ заселено слабо по сравнению с метастабильным состоянием ls₅, поэтому при оптической накачке в состояния 2р₁₀ или 2р₉ заведомо образуется инверсная населенность состояния 2р₁₀ относительно состояния ls₂, и среда становится усиливающей в терагерцовом диапазоне. Состояние ls₂ радиационно связано с основным состоянием атома Хе, имеет время жизни ~40 нc, и поэтому расселение этого состояния осуществляется за счет радиационного перехода в основное состояние на длине волны 129,6 нм и за счет столкновений с другими частицами, а также за счет столкновительной релаксации в нижележащее состояние ls₃. В результате инверсная населенность состояния 2р₁₀ поддерживается при накачке непрерывным излучением.

Благодаря указанному явлению в настоящем изобретении предложен способ генерации когерентного терагерцового электромагнитного излучения, заключающийся в оптической накачке переходов ls₅ → 2р₁₀ или ls₅ → 2р₉ (в обозначениях Пашена) метастабильного атома Хе полупроводниковым лазером на длине волны 980 нм или 904,5 нм и генерации излучения с частотой 2,52 ТГц на переходе 2р₁₀ → ls₂. Разность энергий уровней 2р₁₀ и ls₂ составляет 84 см^-1.

Метастабильные атомы Хе в состоянии ls₅ нарабатываются в низкотемпературной плазме электрического разряда в смеси ксенона с гелием, где содержание ксенона предпочтительно составляет 1-3 молярных % (Mikheyev Р.А., et al. «Production of Ar and Xe metastables in rare gas mixtures in a dielectric barrier discharge)). Journal of Physics D: Applied Physics 50.48 (2017): 485203. DOI: 10.1088/1361-6463/aa91bf). Известно, что при оптической накачке состояния 2р₉ излучением с длиной волны 904,5 нм и последующим столкновительным заселением состояния 2р₁₀ возможна лазерная генерация на переходе 2р₁₀ → ls₅ на длине волны 980 нм при давлении порядка атмосферного (Han, J., et al. «Optically pumped rare gas lasers.» XXII International Symposium on High Power Laser Systems and Applications. Vol.11042. International Society for Optics and Photonics, 2019. DOI: 10.1117/12.2522346). Ширина линии поглощения накачки при этом определяется столкновительным уширением и составляет около 20 ГГц. Это позволяет применять для накачки полупроводниковые лазеры и их сборки, аналогичные тем, что используются для накачки лазеров на парах щелочных металлов.

Для лазеров на парах щелочных металлов технология производства полупроводниковых лазеров накачки с узким спектром хорошо отработана и ее перенос на нужную длину волны принципиальных трудностей не представляет. Так, в статье (Sanderson, Carl R., et al. "Demonstration of a quasi-CW diode-pumped metastable xenon laser." Optics Express 27.24 (2019): 36011-36021.) для экспериментов с генерацией на длине волны 980 нм в ксеноне использовалась лазерная накачка с длиной волны 904,5 нм мощностью 90 Вт и спектральной шириной 17,8 ГГц.

Схема установки изображена на Фиг. 2. Излучение 2 с длиной волны 980 нм или 904,5 нм полупроводникового лазера 1 направляется в плазму электрического разряда 3, где в смеси Хе:Не нарабатываются метастабильные атомы Xe(ls₅). Оптическая накачка переводит часть этих атомов в состояние Хе(2р₁₀) или в состояние Хе(2р₉) с последующей столкновительной релаксацией в состояние Хе(2р₁₀). Возникающая инверсная заселенность состояний Хе(2р₁₀) и Xe(ls₂) позволяет получать когерентное тера-герцовое излучение, помещая такую среду в терагерцовый резонатор 4.

Таким образом, в настоящем изобретении решена задача расширения арсенала технических средств за счет генерации непрерывного когерентного излучения терагерцового диапазона с использованием накачки излучением ближнего инфракрасного диапазона.

Изобретение относится к квантовой электронике. Способ генерации непрерывного когерентного излучения терагерцового диапазона заключается в том, что осуществляют взаимодействие направленного возбуждающего излучения с активной средой образца; при этом в качестве упомянутой активной среды используют низкотемпературную плазму в газовой смеси ксенона с гелием, в которой нарабатываются метастабильные атомы ксенона в состоянии Xe(ls₅); помещают упомянутую активную среду в терагерцовый резонатор; в качестве упомянутого направленного возбуждающего излучения используют излучение с длиной волны 980 нм или 904,5 нм, благодаря чему осуществляют оптическую накачку перехода в атомах ксенона, соответственно ls₅ → 2р₁₀ либо ls₅ → 2р₉ с последующей столкновительной релаксацией в состояние 2р₁₀; получают упомянутое непрерывное когерентное излучение с частотой 2,52 ТГц, генерируемое на переходе 2р₁₀ → ls₂, вследствие инверсной заселенности состояний Хе(2р₁₀) и Xe(ls₂), возникающей в результате упомянутой оптической накачки. Технический результат – расширение арсенала технических средств. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ генерации непрерывного когерентного излучения терагерцового диапазона, заключающийся в том, что:

- осуществляют взаимодействие направленного возбуждающего излучения с активной средой образца;

- при этом в качестве упомянутой активной среды используют низкотемпературную плазму в газовой смеси ксенона с гелием, в которой нарабатываются метастабильные атомы ксенона в состоянии Xe(ls₅);

- помещают упомянутую активную среду в терагерцовый резонатор;

- в качестве упомянутого направленного возбуждающего излучения используют излучение с длиной волны 980 нм или 904,5 нм, благодаря чему осуществляют оптическую накачку перехода в атомах ксенона, соответственно ls₅ → 2р₁₀ либо ls₅ → 2р₉ с последующей столкновительной релаксацией в состояние 2р₁₀;

- получают упомянутое непрерывное когерентное излучение с частотой 2,52 ТГц, генерируемое на переходе 2р₁₀ → ls₂, вследствие инверсной заселенности состояний Хе(2р₁₀) и Xe(ls₂), возникающей в результате упомянутой оптической накачки.

2. Способ по п. 1, в котором содержание ксенона в упомянутой смеси ксенона с гелием составляет 1-3 молярных %.