Hamamatsu Photonics đã phát triển thành công công suất đầu ra laser thác lượng tử (QCL) bằng cách phân tích nguyên tắc tạo sóng terahertz, sử dụng công nghệ thiết kế quang học riêng của Hamamatsu và bộ cộng hưởng bên ngoài nhiễu xạ hiệu quả cao. Mô-đun QCL đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sóng terahertz của bất kỳ tần số nào trong phạm vi 0,42 ~ 2THz.
Mô-đun QCL trông như thế nào
Kết quả nghiên cứu chính
1. Công suất đầu ra cao gấp 5 lần so với QCL phi tuyến terahertz trước đó. Hamamatsu Photonics đã phân tích nguyên tắc lan truyền sóng terahertz bên trong QCL phi tuyến terahertz và thấy rằng sự kết nối của bề mặt trên cùng của nó với ống kính silicon có sức đề kháng cao có thể cải thiện hiệu quả tạo ra sóng terahertz và sử dụng công nghệ tăng trưởng tinh thể của nó tích lũy qua nhiều năm. Và công nghệ quy trình bán dẫn tối ưu hóa cấu trúc bên trong để tăng sản lượng đỉnh ở điểm tần số 1THz đến mức sub-milliwatt, gấp hơn 5 lần so với QCL phi tuyến truyền thống.
2. Mô-đun QCL điều chỉnh tần số 0,42 ~ 2THz đầu tiên trên thế giới. Hamamatsu Photonics đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu của màng chống phản xạ trên bề mặt trên cùng của QCL phi tuyến terahertz. Đồng thời, thông qua công nghệ thiết kế quang học độc đáo, một lưới nhiễu xạ phù hợp được đặt bên ngoài QCL để tạo thành một bộ cộng hưởng và độ nghiêng được điều khiển bởi các thiết bị điện. Mô-đun QCL đầu tiên trên thế giới có khả năng tạo ra sóng terahertz tùy ý trong phạm vi 0,42 đến 2 THz ở nhiệt độ phòng đã được thực hiện.
Chỉ báo chuyển đổi tần số
Nguyên tắc chuyển đổi tần số: Chùm tia laser hồng ngoại giữa phát ra từ QCL phi tuyến terahertz được phản ánh trong lưới nhiễu xạ. Trong trường hợp này, việc chuyển đổi tần số của sóng THz đạt được bằng cách điều khiển điện lưới nhiễu xạ và thay đổi độ nghiêng.
Nền R & D
Do các thành phần khác nhau có trong mẫu được kiểm tra, tần số của sóng terahertz dễ dàng hấp thụ cũng sẽ khác nhau. Sử dụng đặc điểm này, kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ được sử dụng để đánh giá chất lượng và phân tích không phá hủy các mẫu. Ngoài ra, vì sóng terahertz có tần số cao hơn băng tần được sử dụng theo tiêu chuẩn truyền thông tốc độ cao "5G", sản phẩm này cũng dự kiến sẽ được sử dụng cho thế hệ truyền thông "6G" tiếp theo.
Năm 2018, Hamamatsu Photonics đã phát triển một QCL phi tuyến terahertz bằng cách sử dụng công nghệ thiết kế cấu trúc lượng tử độc đáo, sử dụng thiết kế trạng thái năng lượng cao kép chống vượt qua (AnticrossDAUTM). QCL phi tuyến terahertz này có thể thay đổi tần số của sóng terahertz và chiếu xạ nó theo các thành phần có trong mẫu, và sau đó cải thiện độ chính xác phân tích theo tỷ lệ hấp thụ. Tuy nhiên, hiện tại không có nguồn ánh sáng laser bán dẫn nào có thể đạt được sự thay đổi tần số trong một mô-đun. Do đó, Hamamatsu Photonics đã nghiên cứu và phát triển các mô-đun QCL thay đổi tần số.
Tóm tắt thành tựu R&D
Trong báo cáo nghiên cứu này, Hamamatsu Photonics đã phân tích nguyên tắc tạo ra sóng terahertz trong QCL và tối ưu hóa cấu trúc bên trong bằng cách sử dụng công nghệ tăng trưởng tinh thể và công nghệ quy trình bán dẫn tích lũy qua nhiều năm. Đồng thời, nguyên tắc lan truyền sóng terahertz bên trong QCL cũng được phân tích, và người ta thấy rằng sự kết nối giữa bề mặt trên cùng và ống kính silicon có sức đề kháng cao có thể cải thiện hiệu quả phát ra của sóng terahertz và tăng công suất đầu ra lên hơn 5 lần so với trước đây. Kết hợp công nghệ thiết kế quang học độc đáo của Hamamatsu Photonics, và kết hợp QCL với lưới nhiễu xạ phù hợp, một bộ cộng hưởng bên ngoài hiệu quả được hình thành, và sau đó độ nghiêng được thay đổi bằng cách điều khiển điện lưới nhiễu xạ, do đó nhận ra mô-đun QCL 0,42 ~ đầu tiên trên thế giới tạo ra sóng terahertz của tần số tùy ý trong phạm vi 2THz.
Kết quả của nghiên cứu này cho thấy trong trường hợp tần số hấp thụ khác nhau của các thành phần khác nhau trong mẫu được thử nghiệm, sử dụng một mô-đun để chuyển đổi tần số và chiếu xạ sóng terahertz băng hẹp để kiểm tra tốc độ hấp thụ của từng thành phần có thể cải thiện thuốc, thực phẩm và vật liệu bán dẫn. đánh giá chất lượng và độ chính xác của thử nghiệm không phá hủy. Ngoài ra, nó cũng dự kiến sẽ được áp dụng để xác định các vật liệu polymer phân tử cao như nhựa mà trước đây không dễ dàng xác định. Tiếp theo, Hamamatsu Photonics cũng sẽ tiếp tục nghiên cứu cấu trúc tản nhiệt của QCL theo chiều sâu, nhằm đạt được hoạt động ổn định và liên tục của sóng THz. Dự kiến sóng THz sẽ được sử dụng trong các lĩnh vực như thiên văn vô tuyến để quan sát vũ trụ và tốc độ truyền dữ liệu sẽ đạt hàng trăm gigabit mỗi giây. Ứng dụng theo hướng phát triển truyền thông không dây khoảng cách ngắn dung lượng lớn tốc độ cực cao.
Trong tương lai, Hamamatsu Photonics cũng sẽ sử dụng công nghệ hệ thống vi cơ học (MEMS) độc đáo của mình để thu nhỏ các mô-đun QCL xuống kích thước bằng đầu ngón tay.
