ИСТИНА

Создание мощных источников и высокочувствительных приемников терагерцовых волн компактных размеров является актуальной научной задачей, от решения которой зависит успех многих перспективных приложений терагерцового излучения в спектроскопии, астрономии, медицинской диагностике, развитии систем контроля и безопасности, систем информатики и телекоммуникаций, и других важных областях. Данный проект посвящен поиску путей повышения энергетической эффективности генераторов и чувствительности приемников терагерцового излучения двух наиболее распространенных типов – основанных на преобразовании частоты оптического лазерного излучения в нелинейных кристаллах, и основанных на импульсной лазерной накачке, приводящей к возникновению импульсов фототока в фотопроводящих материалах. В первом случае эти задачи будут решаться путем детального изучения особенностей углового распространения генерируемого и детектируемого излучения. Полученные закономерности будут положены в основу создания переходных сопрягающих устройств для максимально полной концентрации генерируемого излучения на чувствительной области детектора. Во втором случае будут исследоваться новые среды и структуры, на которых могут быть созданы фотопроводящие антенны высокой эффективности. В результате выполнения проекта будет получена информация об угловом распределении спектральной плотности мощности терагерцового излучения, генерируемого в нелинейно-оптической среде, в зависимости от коэффициентов поглощения, размеров и геометрии объема нелинейно-оптического взаимодействия: сформулированы соотношения общего вида, описывающие угловое распределение как при коллинеарной, так и неколлинеарной генерации; для случая неколлинеарной генерации с боковой схемой вывода излучения из поглощающего кристалла будут получены и экспериментально верифицированы угловые зависимости излучения на выходе из прозрачного сопрягающего элемента. Будут разработаны принципы конструирования сопрягающего элемента для максимально эффективного вывода расходящегося терагерцового излучения, генерируемого при параметрическом преобразовании частоты. Будут получены соотношения для расчета частотно-угловых зависимостей чувствительности нелинейно-оптического детектора с учетом пространственно-ограниченного сечения луча лазерной накачки, выработаны требования к геометрии и материалу сопрягающего элемента на выходе нелинейной среды, предназначенному для максимального расширения угла сбора детектируемого излучения. Будут разработаны принципы конструирования сопрягающего элемента для расширения угла сбора терагерцового излучения при нелинейно-оптическом детектировании. Полученные результаты будут положены в основу создания сопрягающих элементов для увеличения эффективности генераторов, увеличения угла зрения и интегральной чувствительности детекторов терагерцового излучения в установках по терагерцовой спектроскопии. Методами терагерцовой спектроскопии будет исследована генерация терагерцового излучения в фотопроводящих антеннах на основе эпитаксиальных гетероструктур InGaAs/InAlAs на подложках нового типа. Будут исследованы спектры пропускания/отражения в терагерцовом диапазоне топологических изоляторов четверных составов Bi2-xSbxTe3-ySey и построены антенны-генераторы терагерцового излучения на базе топологических изоляторов Bi2-xSbxTe3-ySey.

The creation of powerful sources and highly sensitive terahertz wave receivers of compact size is an urgent scientific task. The success of many promising terahertz applications in spectroscopy, astronomy, medical diagnostics, the development of control and safety systems, information and telecommunications systems, and other important fields depend on solving this task. This project is devoted to the search for ways to increase the energy efficiency of generators and the sensitivity of terahertz radiation detectors of the two most common types, based on the frequency conversion of optical laser radiation in nonlinear crystals, and based on pulsed laser pumping, resulting in photocurrent pulses in photoconductive materials. In the first case, these problems will be solved by a detailed study of the angular distribution of the generated and detected radiation. The obtained expressions will be used as the basis for the creation of transitional coupling devices for the maximum complete concentration of the generated radiation in the sensitive region of the detector. In the second case, new media and structures will be investigated, on which photoconductive antennas of high efficiency can be created. As a result of the project, information will be obtained on the angular distribution of the spectral power density of terahertz radiation generated in a nonlinear optical medium, depending on the absorption coefficients, sizes and geometry of the volume of nonlinear optical interaction: general relations will be formulated describing the angular distribution both in collinear and noncollinear generation; for the case of noncollinear generation with a sideways emission from the absorbing crystal, the angular dependences of the radiation at the exit from the transparent coupling element will be experimentally verified. Principles will be developed for designing an interfacing coupling element for maximally efficient extraction of divergent terahertz radiation generated by parametric frequency conversion. Relations will be obtained for calculating the frequency-angular dependences of the sensitivity of a nonlinear optical detector, taking into account the spatially limited cross section of the laser pump beam, requirements are formulated for the geometry and material of the coupling element at the output of a nonlinear medium designed to maximize the collection angle of the detected radiation. The principles of designing the coupling element for increasing the terahertz radiation collection angle will be developed for the nonlinear optical detector. The obtained results will be used as the basis for creating matching elements for increasing the efficiency of generators, increasing the angle of view and the integrated sensitivity of terahertz radiation detectors in terahertz spectroscopy schemes. By the methods of terahertz spectroscopy we will study the generation of terahertz radiation in photoconductive antennas based on epitaxial InGaAs / InAlAs heterostructures on new type substrates. The transmittance / reflection spectra in the terahertz range of the topological insulators of Bi2-xSbxTe3-ySey quadruple compounds will be investigated and the terahertz radiation antenna generators based on Bi2-xSbxTe3-ySey topological insulators will be constructed.

1. Будет получена детальная информация об угловом распределении спектральной плотности мощности терагерцового излучения, генерируемой в нелинейно-оптической среде, в зависимости от коэффициентов поглощения, размеров и геометрии объема нелинейно-оптического взаимодействия: сформулированы соотношения общего вида, описывающие угловое распределение как при коллинеарной, так и неколлинеарной генерации; для случая неколлинеарной генерации с боковой схемой вывода излучения из поглощающего кристалла будут получены и экспериментально верифицированы угловые зависимости излучения на выходе из прозрачного сопрягающего элемента. Полученные результаты будут положены в основу создания сопрягающих элементов для увеличения эффективности генераторов терагерцового излучения в установках по терагерцовой спектроскопии, диагностике и зондированию. 2. Будут разработаны принципы конструирования сопрягающего элемента для максимально эффективного вывода расходящегося терагерцового излучения, генерируемого при параметрическом преобразовании частоты. 3. Будут получены соотношения для расчета частотно-угловых зависимостей чувствительности нелинейно-оптического детектора с учетом пространственно-ограниченного сечения луча лазерной накачки. Будут выработаны требования к геометрии и материалу сопрягающего элемента на выходе нелинейной среды, предназначенному для максимального расширения угла сбора детектируемого излучения. 4. Будут разработаны принципы конструирования сопрягающего элемента для расширения угла сбора терагерцового излучения при нелинейно-оптическом детектировании. Полученные результаты будут положены в основу создания сопрягающих элементов для увеличения угла зрения и интегральной чувствительности детекторов терагерцового излучения в установках по терагерцовой спектроскопии, диагностике и зондированию. 5. Будет исследована генерация терагерцового излучения в фотопроводящих антеннах на основе эпитаксиальных гетероструктур InGaAs/InAlAs на подложках нового типа, определены их характеристики: мощность и ширины спектров излучения. 6. Будут построены антенны-генераторы терагерцового излучения на базе топологических изоляторов четверных составов Bi2-xSbxTe3-ySey. Данные устройства будут представлять собой полностью инновационные научно-технические продукты. 7. Будет исследованы спектры пропускания/отражения в терагерцовом диапазоне топологических изоляторов четверных составов Bi2-xSbxTe3-ySey.

Исследования в области генерации и детектирования терагерцовых волн ведутся с 2004 года, опубликованы результаты диагностики терагерцового отклика кристаллов с периодически поляризованной структурой. Развита теория нелинейно-оптических процессов преобразования частоты в периодически и апериодически поляризованных кристаллах, приводящих к генерации и детектированию терагерцовых волн под действием импульсной и непрерывной накачки. Предложены и впервые экспериментально реализованы оптические схемы генерации терагерцового излучения методом оптического выпрямления широкополосных лазерных импульсов наносекундной длительности и нелинейно-оптического детектирования. Исследованы тепловые эффекты, влияющие на температуру кристалла и ее неоднородное распределение при импульсно-периодической лазерной накачке кристаллов, которые применяются в схемах нелинейно-оптической генерации и детектирования терагерцовых волн. Развитие схем электро-оптического стробирования по принципу фильтрации оптических импульсов позволило добиться увеличения сигнала при детектировании в периодически поляризованном кристалле ниобата лития на более чем 2 порядка исходной величины. Исследовались процессы нелинейно-оптического детектирования некогерентного типа. Работы по развитию и применению методов терагерцового спектроскопии проводились применительно к исследованию дисперсионных параметров сегнетоэлектрических кристаллов и применительно к решению задач обнаружения опасных и взрывчатых веществ. Было показано, что проявление эффектов рассеяния на неоднородностях порошкообразных материалов может существенно маскировать линии резонансного поглощения молекул. Предложена процедура обработки спектра пропускания, направленная на «очистку» от основных и интерференционных вкладов, появляющихся в результате рассеяния. Начаты исследования фотопроводящих антенн для генерации излучения от накачки фемтосекундными импульсами малогабаритного волоконного Er-лазера.

1. Получены общие выражения для угловых распределений спектральной плотности мощности терагерцового излучения, генерируемого в нелинейно-оптической среде, в зависимости от коэффициентов поглощения, размеров и геометрии объема нелинейно-оптического взаимодействия. 2. Для случая неколлинеарной генерации с боковой схемой вывода излучения из кристалла легированного Mg ниобата лития получены и экспериментально исследованы угловые зависимости излучения на выходе из сопрягающего элемента, выполненного из материала высокоомного кремния. 3. Разработаны принципы конструирования сопрягающего элемента для максимально эффективного вывода расходящегося терагерцового излучения, генерируемого при параметрическом преобразовании частоты и расширения угла сбора терагерцового излучения при нелинейно-оптическом детектировании. 3. Получены соотношения для расчета частотно-угловых зависимостей чувствительности нелинейно-оптического детектора с учетом пространственно-ограниченного сечения луча лазерной накачки. 4. Разработаны требования к геометрии и материалу сопрягающего элемента на выходе нелинейной среды, предназначенного для максимального расширения угла сбора детектируемого излучения. 5. Исследована генерация терагерцового излучения в фотопроводящих антеннах на основе эпитаксиальных гетероструктур InGaAs/InAlAs на подложках нового типа, определены характеристики излучающих фотопроводящих антенн. 6. Созданы и исследованы антенны-генераторы терагерцового излучения на базе топологических изоляторов четверных составов Bi2-xSbxTe3-ySey. 7. Исследованы спектры пропускания/отражения в терагерцовом диапазоне топологических изоляторов четверных составов Bi2-xSbxTe3-ySey.