نجحت شركة Hamamatsu Photonics في تطوير طاقة خرج ليزر شلال كمومي (QCL) من خلال تحليل مبدأ توليد موجات تيراهيرتز ، باستخدام تقنية التصميم البصري الخاصة بهاماتسو ، ومرنانات الحيود الخارجية عالية الكفاءة. أول وحدة QCL في العالم يمكنها توليد موجات تيراهيرتز من أي تردد في نطاق 0.42 ~ 2THz.
كيف تبدو وحدة QCL
أهم نتائج البحث
1. طاقة الإخراج أعلى 5 مرات من QCL غير الخطي السابق تيراهيرتز. قامت شركة Hamamatsu Photonics بتحليل مبدأ انتشار موجة تيراهيرتز داخل QCL غير الخطي تيراهيرتز ، ووجدت أن اتصال سطحه العلوي بعدسة سيليكون عالية المقاومة يمكن أن يحسن كفاءة توليد موجات تيراهيرتز ، واستفاد من تقنية النمو البلوري المتراكمة على مر السنين. وتعمل تقنية عملية أشباه الموصلات على تحسين الهيكل الداخلي لزيادة ذروة الإنتاج عند نقطة التردد 1THz إلى مستوى أقل من المللي واط ، وهو أكثر من 5 أضعاف QCL التقليدي غير الخطي.
2. أول وحدة QCL قابلة للتعديل ذات تردد 0.42 ~ 2THz في العالم. أجرت شركة Hamamatsu Photonics أبحاثا متعمقة حول مادة الفيلم المضاد للانعكاس على السطح العلوي ل QCL غير الخطي تيراهيرتز. في الوقت نفسه ، من خلال تقنية التصميم البصري الفريدة ، يتم تعيين صريف حيود مطابق خارج QCL لتشكيل مرنان ، ويتم التحكم في الإمالة بواسطة الأجهزة الكهربائية. تم تحقيق أول وحدة QCL في العالم قادرة على توليد موجات تيراهيرتز تعسفية في حدود 0.42 إلى 2 THz في درجة حرارة الغرفة.
مؤشر تبديل التردد
مبدأ تبديل التردد: ينعكس شعاع الليزر بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة المنبعث من QCL غير الخطي تيراهيرتز في صريف الحيود . في هذه الحالة ، يتم تحقيق تبديل تردد موجة THz عن طريق التحكم كهربائيا في صريف الحيود وتغيير الميل.
خلفية البحث والتطوير
نظرا للمكونات المختلفة الموجودة في العينة المراد اختبارها ، فإن تردد موجات تيراهيرتز التي يتم امتصاصها بسهولة سيكون مختلفا أيضا. باستخدام هذه الخاصية ، من المتوقع أن تستخدم نتائج البحث لتقييم الجودة والتحليل غير المدمر للعينات. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن موجات تيراهيرتز أعلى في التردد من نطاق التردد المستخدم في معيار الاتصالات عالي السرعة "5G" ، فمن المتوقع أيضا استخدام هذا المنتج للجيل التالي من اتصالات "6G".
في عام 2018 ، طورت Hamamatsu Photonics QCL غير خطي تيراهيرتز من خلال استخدام تقنية تصميم البنية الكمومية الفريدة ، باستخدام تصميم الحالة المزدوجة عالية الطاقة المضادة للعبور (AnticrossDAUTM). يمكن ل QCL غير الخطي تيراهيرتز تغيير تردد موجة التيراهيرتز وتشعيعها وفقا للمكونات الموجودة في العينة ، ثم تحسين دقة التحليل وفقا لمعدل الامتصاص. ومع ذلك ، لا يوجد حاليا مصدر ضوء ليزر أشباه الموصلات يمكنه تحقيق تغيير التردد في وحدة واحدة. لذلك ، تقوم Hamamatsu Photonics بالبحث وتطوير وحدات QCL المتغيرة التردد.
ملخص إنجازات البحث والتطوير
في هذا التقرير البحثي، قامت شركة هاماماتسو فوتونيكس بتحليل مبدأ توليد موجات تيراهيرتز في QCL، وقامت بتحسين البنية الداخلية باستخدام تقنية نمو البلورات وتكنولوجيا معالجة أشباه الموصلات المتراكمة على مر السنين. في الوقت نفسه ، تم أيضا تحليل مبدأ انتشار موجة تيراهيرتز داخل QCL ، ووجد أن العلاقة بين السطح العلوي وعدسة السيليكون عالية المقاومة يمكن أن تحسن كفاءة توليد موجات تيراهيرتز وتزيد من طاقة الإخراج إلى أكثر من 5 أضعاف ما كانت عليه في الماضي. من خلال الجمع بين تقنية التصميم البصري الفريدة من نوعها ل Hamamatsu Photonics ، ومطابقة QCL مع صريف حيود مناسب ، يتم تشكيل مرنان خارجي فعال ، ثم يتم تغيير الميل عن طريق التحكم كهربائيا في صريف الحيود ، وبالتالي تحقيق أول وحدة QCL 0.42 ~ A في العالم التي تولد موجات تيراهيرتز من الترددات التعسفية في نطاق 2THz.
تظهر نتائج هذه الدراسة أنه في حالة ترددات امتصاص مختلفة لمكونات مختلفة في العينة المراد اختبارها ، فإن استخدام وحدة نمطية لتبديل التردد وتشعيع موجات تيراهيرتز ضيقة النطاق للتحقق من معدل امتصاص كل مكون يمكن أن يحسن الأدوية والمواد الغذائية وأشباه الموصلات. تقييم الجودة ودقة الاختبارات غير المدمرة. بالإضافة إلى ذلك ، من المتوقع أيضا أن يتم تطبيقه على تحديد مواد البوليمر عالية الجزيئات مثل البلاستيك التي لم يكن من السهل التعرف عليها من قبل. بعد ذلك ، ستواصل Hamamatsu Photonics أيضا دراسة بنية تبديد الحرارة في QCL بعمق ، بهدف تحقيق تشغيل مستقر ومستمر لموجات THz. ومن المتوقع أن تستخدم موجات THz في مجالات مثل علم الفلك الراديوي لمراقبة الكون، وستصل سرعة نقل البيانات إلى مئات الغيغابت في الثانية. التطبيق في اتجاه تطوير الاتصالات اللاسلكية فائقة السرعة ذات السعة الكبيرة لمسافات قصيرة.
وفي المستقبل، ستستخدم هاماماتسو للفوتونيكس أيضا تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الفريدة (MEMS) لتقليص وحدات QCL إلى حجم طرف الإصبع.
