БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 4, с. 787-796
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИ (ТЕМ ==
УДК 537.87
КОМПАКТНЫЙ И СТОЧНИК ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В КВАНТОВОЙ ЯМЕ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНОЙ ГОФРИ РОВАННОГО ВОЛНОВОДА
© 2015 г. Л.Ю. Щурова, В.А. Намиот*, Д.Р. Саркисян**
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский просп., 53; *Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Воробьевы горы; **Department of РНагтасеыПса1 Biosdernes, ирртХа University, PO Box 591, SE-751 24 ирртЫ, Sweden
E-mail: ljыsia@gmail.com Поступила в p едакцию 15.04.15 г.
Когерентные источники излучения электромагнитных волн терагерцового частотного диапазона весьма перспективны для различных приложений, в том числе в биологии и медицине. В работе предложена схема компактного терагерцового источника, в котором эффект генерации электромагнитных волн достигается за счет взаимодействия электронов в квантовой яме с электромагнитной волной гофрированного волновода. Показано, что в предложенной схеме возможна генерация электромагнитных волн с частотой 1012 с-1 с выходной мощностью излучения до 25 мВт.
Ключевые слова: терагерцовый источник, гофрированный волновод, электроны в квантовой яме.
СХЕМА ИСТОЧНИКА ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Терагерцовый частотный диапазон, занимающий интервал от 0,3 до 10 ТГц, обладает рядом специфических особенностей и представляет в связи с этим значительный интерес для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в различных областях физики, биологии и медицины [1]. В терагерцовом частотном диапазоне находится большое число сильных линий вращательных переходов, а также линий колебательных и колебательно-вра-щательных переходов сложных органических молекул. Именно в терагерцовом диапазоне частот лежат биологически важные коллективные моды ДНК и белков. При этом энергия квантов терагерцового излучения недостаточна для разрушения химических связей молекул, поэтому воздействие терагерцовых волн является сравнительно безопасным для живых организмов. Установлено, что терагер цовое излучение не оказывает термического воздействия, не является ионизирующим (в отличие от рентгеновского) и не повреждает ДНК [2]. В то же время вопрос, может ли терагерцовое излучение
Сокращение: СВЧ - сверхвысокочастотный.
модифицировать какую-то часть генов, остается открытым и активно изучается [3].
Терагерцовое излучение обладает достаточно большой проникающей способностью и может быть применено для выявления патологий и инородных образований методами терагер-цовой томографии. Диагностика с использованием терагер цового излучения способна обнаруживать различия в плотности тканей и выявлять, например, содержание в них воды. Те-рагерцовая томография позволяет обнаруживать различные виды рака с помощью наиболее безопасных и наименее агрессивных и болезненных диагностических систем. Некоторые частоты терагерцовых волн могут найти применение в стоматологии для объемного изображения зубов, более безопасного и точного, чем обычный рентгеновский анализ. Терагер-цовое излучение также позволяет проводить безвредную для человека диагностику глубины и степени ожогов [4].
Природными источниками терагерцового излучения являются Солнце и звезды, однако в атмосфере Земли терагерцовые волны поглощаются водяным паром и молекулярным ки-слор одом. В принципе любая молекула постоянно генерирует терагерцовое излучение, но проблема в том, что оно чрезвычайно слабое
787
11*
и распространяется не далее чем на один-два метра.
В то же время существуют проблемы создания искусственных источников терагерцового излучения [5]. Терагерцовые частоты занимают промежуточное положение между оптическим диапазоном, где используются приборы опто-электроники, и сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазоном, где господствуют электровакуумные прибор ы. Разр аботанные во втор ой половине XX века оптоэлектронные приборы (лазеры) плохо подходят для генерации излучения в промежуточном терагерцовом диапазоне из-за теплового размытия лазерных уровней. В области создания вакуумных терагерцовых источников, в числе генераторов когерентного излучения на свободных электронах и синхротро-нов, в последнее десятилетие достигнуты значительные результаты [6], однако такие источники дороги и громоздки и не могут иметь широкого применения.
В настоящее время наиболее актуальной является задача создания достаточно интенсивных ив то же время компактных источников когерентного терагерцового излучения, весьма востребованных для различных приложений.
Мы предлагаем схему компактного источника терагерцового излучения, в которой используются некоторые методы и идеи, нашедшие успешное воплощение в электровакуумных СВЧ-генераторах (типа ламп обратной волны и ламп бегущей волны). Генерация терагер цо-вых волн в предлагаемой схеме генератора осуществляется, как и в электровакуумных СВЧ-генераторах, за счет эффективного энергообмена между электронами и электромагнитной волной волновода. Однако непосредственное заимствование методов, развитых для источников СВЧ-волн, невозможно, в предлагаемой схеме терагерцового источника они существенно изменены.
В электровакуумных СВЧ-устройствах электронный пучок эффективно взаимодействует с электромагнитной волной и передает ей свою энергию в условиях, когда фазовая скорость электромагнитной волны близка к скорости электронов. В электровакуумных генераторах электроны, взаимодействующие с электромагнитным полем, летят в вакууме, не испытывая столкновений на всей длине пролета электронов. Скорость электронов в режиме их баллистического транспорта достаточно высока, но скоро сть р аспро стр аняющейся в волноводе электромагнитной волны (равная скорости света) на порядок и более превышает скор ость электронов. Поэтому в генераторах СВЧ-волн для обеспечения необходимого условия эффек-
тивного энергообмена между электронами и электромагнитной волной (условия синхр ониз-ма взаимодействия электронов с волной) обычно используют замедляющие системы, снижающие скорость распространяющейся в волноводе электромагнитной волны до скорости электро -нов.
Мы предлагаем схему терагерцового генератора, в котором взаимодействующие с электромагнитным полем электроны дрейфуют в квантовой яме, испытывая большое число со -ударений. Длина свободного пробега таких электронов много меньше длины области взаимодействия, а их дрейфовая скорость на порядки ниже скорости баллистических электро-нов. В этом случае использовать замедляющие системы, снижающие скорость распространяющейся в волноводе электромагнитной волны терагерцового частотного диапазона до скоро-сти направленного движения электронов, крайне сложно. Из-за малых ха рактерных размеров таких замедляющих систем значительно увеличивается поглощение энергии волны в волноводе. В области терагерцовых частот одновременно замедлить волну и избежать потерь крайне сложно.
Поэтому мы предлагаем здесь другой способ осуществления фазового синхронизма. В предлагаемой схеме терагер цового генератора возможна ситуация, когда скорость электромагнитной волны практически равняется скорости света в пустоте, а дрейфующие электроны, тем не менее, оказываются в состоянии эффективно передавать ей свою энергию.
Предлагаемое устройство представляет со -бой открытый волновод, внутри которого имеется тонкая многослойная пластина, включающая два различных диэлектрических слоя. Гра -ница раздела диэлектрических слоев имеет форму гофрированной поверхности. В один из диэлектрических слоев включен квазидвухмерный полупроводниковый канал проводимости для электронов (р ис. 1). Электроны, движущиеся в квантовой яме, взаимодействуют с неоднородным электрическим полем, формирующимся вблизи гофрированной границы диэлектриков в поле распространяющейся в волноводе электромагнитной волны. Период гофра и параметры электронной системы подбираются таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективное взаимодействие электронов с волной.
Фазовый сихронизм в такой схеме о снован на использовании приповерхностных мод волновода, формирующихся вблизи гофрированной границы раздела диэлектрических слоев. Электроны, дрейфующие в квантовой яме (расположенной вблизи гофра) в поперечном на-
Рис. 1. Пластина из двух диэлектрических слоев с гофрированной границей раздела.
правлении волновода, взаимодействуют с поперечным электрическим полем индуцированной пр иповерхностной электромагнитной волны (рис. 2.). Подбирая приложенное напр яже-ние, которое задает среднюю дрейфовую скорость электронов, ге, и период гофра Ь, который опр еделяет и волновое число к с = 2п/Ь, и фазовую скорость приповерхностной волны = ю/к с (где ю - частота волны), можно достигнуть условия фазового синхронизма: ге ~ г^. Для периода гофра Ь ~ 0,1-1,0 мкм (создание структур с такими параметрами достижимо при со -временном уровне технологии) фазовая скорость электромагнитной волны с частотой ю ~ 1012 с-1 оказывается порядка ~ 106-107 см/с. Такие же значения может иметь дрейфовая скорость электронов в канале проводимости.
Следовательно, период гофра и параметры электронной системы могут быть выбр аны таким образом, чтобы обеспечить условие эффективного взаимодействия носителей заряда с электромагнитной волной. При этом усиливающаяся объемная электромагнитная волна распространяется вдоль волновода со скор остью, близкой к скор ости света с >> г^.
Процесс распространения электромагнитной волны сопровождается процессами ее затухания, связанными с потерями энергии электромагнитной волны на джоулево тепло. В предлагаемой схеме с открытым волноводом электромагнитное поле волны сосредоточено не только в диэлектрической пластине, где имеются омические потери энергии волны, но и в вакуумной области вне пластины. И спользова-ние именно открытого волновода может позволить уменьшить потер и электромагнитной волны (и улучшить, таким обр азом, условие генерации).
£1 1 Ео
\ /л /л /л /~\ /V* /л /
Ее £2 X
Рис. 2. П рофиль пластины, которая должна находиться внутри открытого волновод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.