Hamamatsu Photonics úspěšně vyvinula výstupní výkon kvantového kaskádového laseru (QCL) analýzou principu generování terahertzových vln pomocí vlastní technologie optického designu Hamamatsu a vysoce účinných externích rezonátorů difrakční mřížky. První QCL modul na světě, který dokáže generovat terahertzové vlny libovolné frekvence v rozsahu 0,42 ~ 2THz.
Jak vypadá modul QCL
Hlavní výsledky výzkumu
1. Výstupní výkon je 5krát vyšší než předchozí terahertzový nelineární QCL. Hamamatsu Photonics analyzoval princip šíření terahertzových vln uvnitř terahertzového nelineárního QCL a zjistil, že spojení jeho horního povrchu s vysoce odolnou křemíkovou čočkou může zlepšit účinnost generování terahertzových vln a využilo technologii růstu krystalů nahromaděnou v průběhu let. A technologie polovodičových procesů optimalizuje vnitřní strukturu tak, aby se zvýšil špičkový výkon ve frekvenčním bodě 1THz na úroveň sub-miliwatt, což je více než 5krát více než tradiční nelineární QCL.
2. První 0,42 ~ 2THz frekvenčně nastavitelný QCL modul na světě. Hamamatsu Photonics provedl hloubkový výzkum materiálu antireflexního filmu na horním povrchu terahertzového nelineárního QCL. Současně je díky jedinečné technologii optického designu umístěna odpovídající difrakční mřížka mimo QCL, aby vytvořila rezonátor, a náklon je řízen elektrickými spotřebiči. Byl realizován první QCL modul na světě schopný generovat libovolné terahertzové vlny v rozsahu 0,42 až 2 THz při pokojové teplotě.
Indikace spínání frekvence
Princip přepínání frekvencí: Střední infračervený laserový paprsek vyzařovaný z terahertzového nelineárního QCL se odráží v difrakční mřížce. V tomto případě je spínání frekvence vlny THz dosaženo elektrickým ovládáním difrakční mřížky a změnou sklonu.
Související výzkum a vývoj
Vzhledem k různým složkám obsaženým ve vzorku, který má být zkoušen, bude frekvence terahertzových vln, které se snadno vstřebávají, také odlišná. Při použití této charakteristiky se očekává, že výsledky výzkumu budou použity pro hodnocení kvality a nedestruktivní analýzu vzorků. Navíc, protože terahertzové vlny mají vyšší frekvenci než frekvenční pásmo používané standardem vysokorychlostní komunikace "5G", očekává se, že tento produkt bude také použit pro příští generaci komunikace "6G".
V roce 2018 vyvinula společnost Hamamatsu Photonics terahertzový nelineární QCL s využitím jedinečné technologie návrhu kvantové struktury s využitím anti-crossing dual high-energy state design (AnticrossDAUTM). Tento terahertzový nelineární QCL může měnit frekvenci terahertzové vlny a ozařovat ji podle složek obsažených ve vzorku a poté zlepšit přesnost analýzy podle rychlosti absorpce. V současné době však neexistuje žádný polovodičový laserový světelný zdroj, který by mohl dosáhnout změny frekvence v jednom modulu. Proto Hamamatsu Photonics zkoumá a vyvíjí QCL moduly měnící frekvence.
Shrnutí úspěchů v oblasti výzkumu a vývoje
V této výzkumné zprávě Hamamatsu Photonics analyzoval princip generování terahertzových vln v QCL a optimalizoval vnitřní strukturu pomocí technologie růstu krystalů a technologie polovodičových procesů nahromaděných v průběhu let. Současně byl také analyzován princip šíření terahertzových vln uvnitř QCL a bylo zjištěno, že spojení mezi horním povrchem a vysoce odolnou křemíkovou čočkou může zlepšit účinnost generování terahertzových vln a zvýšit výstupní výkon na více než 5násobek toho, co bylo v minulosti. Kombinací jedinečné technologie optické konstrukce Hamamatsu Photonics a sladěním QCL s vhodnou difrakční mřížkou se vytvoří účinný externí rezonátor a poté se změní sklon elektrickým ovládáním difrakční mřížky, čímž se realizuje první modul QCL 0,42 ~ A na světě, který generuje terahertzové vlny libovolných frekvencí v rozsahu 2THz.
Výsledky této studie ukazují, že v případě různých absorpčních frekvencí různých složek ve vzorku, který má být testován, může použití modulu pro přepínání frekvence a ozařování úzkopásmových terahertzových vln ke kontrole rychlosti absorpce každé složky zlepšit léky, potraviny a polovodičové materiály. hodnocení kvality a přesnosti nedestruktivního zkoušení. Kromě toho se očekává, že bude také použit při identifikaci vysokomolekulárních polymerních materiálů, jako jsou plasty, které dříve nebyly snadno identifikovatelné. Dále bude Hamamatsu Photonics pokračovat ve studiu struktury rozptylu tepla QCL do hloubky s cílem dosáhnout stabilního a nepřetržitého provozu THz vln. Očekává se, že vlny THz budou použity v oblastech, jako je radioastronomie, k pozorování vesmíru a rychlost přenosu dat dosáhne stovek gigabitů za sekundu. Aplikace ve směru vývoje ultra vysokorychlostní velkokapacitní bezdrátové komunikace na krátké vzdálenosti.
V budoucnu bude Hamamatsu Photonics také využívat svou jedinečnou technologii mikroelektromechanických systémů (MEMS) ke zmenšení modulů QCL až na velikost prstu.
