Оптико-терагерцовые фотопроводящие преобразователи коротких импульсов лазерного излучения (1.03-1.56 мкм) на основе сверхрешеточных гетероструктур InGaAs/InAlAs для создания компактных систем спектроскопии и визуализации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-79-10240

НазваниеОптико-терагерцовые фотопроводящие преобразователи коротких импульсов лазерного излучения (1.03-1.56 мкм) на основе сверхрешеточных гетероструктур InGaAs/InAlAs для создания компактных систем спектроскопии и визуализации

Руководитель Хабибуллин Рустам Анварович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова сверхрешеточные гетероструктуры InGaAs/InAlAs; зонная диаграмма полупроводников; молекулярно-пучковая эпитаксия; фотопроводники; терагерцовые технологии; терагерцовая импульсная спектроскопия; биомедицинские приложения терагерцовой науки и техники; плазмонные фотопроводящие антенны; плазмонная решетка; оптико-терагерцовая конверсия; моделирование методом конечных элементов.

Код ГРНТИ29.03.31, 76.29.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интерес к терагерцовой фотонике, возникший в последнее время, обусловлен широким кругом практических приложений терагерцового излучения (ТГц, 10^11-10^13 Гц) вследствие уникальных возможностей, открывающихся при его использовании в спектроскопии, технике построения изображений скрытых объектов, высокочувствительных устройствах распознавания состава и состояния среды, медицинской визуализации и томографии и т.д. Одним из наиболее востребованных и перспективных ТГц приложений является ранняя неинвазивная, малоинвазивная и интраоперационная диагностика злокачественных новообразований в различных локализациях. Слабое рассеяние длинных волн ТГц диапазона, по сравнению с оптическими волнами, создает основу для создания эфективных систем построения изображений. Методы ТГц диагностики основаны на использовании естественных (эндогенных) маркерах новообразования, например, разном содержании воды в тканях, и поэтому не требуют введения в организм экзогенных веществ-маркеров новообразования. Большинство современных методов дифференциации тканей в нормальном состоянии и при наличии патологии с использованием ТГц излучения основаны на импульсной спектроскопии и/или визуализации по причине высокой информативности сигналов в таких системах. К сожалению, для работы широкополосных импульсных источников и приемников ТГц излучения требуются сложные лазерные системы накачки с фемтосекундной длительностью импульсов. Несмотря на значительный прогресс в области методологии ТГц диагностики злокачественных новообразований, развитие и широкое внедрение диагностических систем сдерживается в первую очередь размерами и стоимостью импульсных лазеров, а также отсутствием отечественных оптико-ТГц преобразователей. Именно по этой причине, предлагаемый проект по разработке оптико-ТГц преобразователей коротких импульсов ИК лазерного излучения (1.03-1.56 мкм) имеет своей целью создание эффективных ТГц излучателей, способных работать с недорогими волоконными лазерами без удвоения частоты и без применения усилителей мощности выходного излучения (со средней мощностью 1-10 мВт) для массовых диагностических систем импульсной спектроскопии и построения изображений. Для достижения сформулированной цели в проекте будет решаться комплекс теоретических, технологических и экспериментальных задач: I) проведение теоретических и экспериментальных исследований по формированию фотопроводящих узкозонных полупроводниковых материалов на основе сверхрешеточных гетероструктур InGaAs/InAlAs с новыми функциональными слоями; II) проведение теоретических и экспериментальных исследований по формированию фотопроводящих антенн (ФПА) с высоко-аспектными плазмонными решетками h/p (где h – высота металла плазмонного электрода, а p – период решетки) с высотой электрода более 100 нм с целью повышения эффективности генерации ТГц излучения; III) проведение теоретических и экспериментальных исследований по субволновой концентрации энергии лазерного ИК излучения в зазоре традиционных ФПА с целью повышения эффективности генерации ТГц излучения; IV) проведение экспериментальной апробации оптико-ТГц преобразователей в составе оригинального импульсного спектрометра и изображающей системы при накачке ИК волоконным лазером с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 1.03-1.56 мкм. В ходе выполнения проекта будут получены значимые научные, технические и технологические результаты в области создания узкозонных фотопроводящих материалов на основе InGaAs с новыми функциональными слоями, разработаны подходы к повышению эффективности оптической накачки фотопроводящих источников ТГц излучения путем использования высоко-аспектных плазмонных решеток и субволновой фокусировки ИК лазерного излучения. Разработанные материалы и подходы станут фундаментальной основой для постановки дальнейших исследовательских и конструкторских работ не только по созданию отечественных оптико-ТГц преобразователей коротких импульсов ИК лазерного излучения, но и для приемников ТГц излучения, а также компактных и недорогих биомедицинских приборов на их основе. Наряду с получением новых значимых результатов, реализация предлагаемого проекта будет способствовать повышению квалификации молодежной научной группы – расширению кругозора участников проекта (в том числе за счет работы на стыке научных дисциплин), наработке опыта проведения научных исследований в команде, формированию и укреплению связей с ведущими отечественными и зарубежными научными коллективами. Результаты проекта будут опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, представлены на международных научных конференциях, а также найдут отражение в квалификационных работах молодых ученых – кандидатских диссертациях членов научной группы (аспирантов). Выполнение проекта позволит также расширить экспериментальные и технологические возможности научной группы и усилить ее вычислительную базу.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ячменев А.Э., Лаврухин Д.В., Глинский И.А., Зенченко Н.В., Гончаров Ю.Г., Спектор И.Е., Хабибуллин Р.А., Отчуджи Т., Пономарев Д.С. Metallic and dielectric metasurfaces in photoconductive terahertz devices: a review Optical Engineering, 59(6), 061608 (2019) (год публикации - 2020)
10.1117/1.OE.59.6.061608

2. Пономаев Д.С., Ячменев А.Э., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Хусяинов Д.И., Буряков А.М., Мишина Е.Д. Strained superlattices InGaAs/InAlAs with ultrashort photocarrier lifetime SPIE Proceedings, Proceedings Volume 11457, Saratov Fall Meeting 2019: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine; 114571A (2020) (год публикации - 2020)
10.1117/12.2560460

3. Ячменев А.Э., Пушкарев С.С., Резник Р.Р., Хабибуллин Р.А., Пономарев Д.С. Arsenides-and related III-V materials-based multilayered structures for terahertz applications: Various designs and growth technology Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials (год публикации - 2020)
10.1016/j.pcrysgrow.2020.100485

4. Лаврухин Д.В., Ячменев А.Э., Глинский И.А., Зенченко Н.В., Хабибуллин Р.А., Гончаров Ю.Г., Спектор И.Е., Зайцев К.И., Пономарев Д.С. Излучательная эффективность терагерцовых антенн с традиционной топологией и металлической метаповерхностью: сравнительный анализ Оптика и спектроскопия, 129, 1, 1012 (2020) (год публикации - 2020)
10.21883/OS.2020.07.49575.19-20

5. Гавдуш А.А., Черномырдин Н.В., Лаврухин Д.В., Чао И., Командин Г.А., Спектор И.Е., Долганова И.Н., Курлов В.Н., Пономарев Д.С., Скоробогатый М., Решетов И.В., Зайцев К.И. A proof of concept for continuously-tunable terahertz bandpass filter based on a gradient metal-hole array Journal of Physics D: Applied Physics (год публикации - 2020)

6. А.А. Гавдуш, Н.В. Черномырдин, Д.В. Лаврухин, Я. Чао, Г.А. Командин, И.Е. Спектор, И.Н. Долганова, В.Н. Курлов, Д.С. Пономарев, М. Скоробогатый, И.В. Решетов, К.И. Зайцев A proof of concept for continuously-tunable terahertz bandpass filter based on a gradient metal-hole array Optics Express, Vol. 28, Issue 18, pp. 26228-26238 (2020) (год публикации - 2020)
10.1364/OE.401608

7. Д.В. Лаврухин, А.Э. Ячменев, Ю.Г. Гончаров, К.И. Зайцев, Р.А. Хабибуллин, А.В. Буряков, Е.Д. Мишина, Д.С. Пономарев Strain-induced InGaAs-based photoconductive THz antenna-detector IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology (год публикации - 2021)

8. Иляков И.Е., Шишкин Б.В., Малевич В.Л., Пономарев Д.С., Галиев Р.Р., Павлов А.Ю., Ячменев А.Э., Ковалев С.П., Чен М., Ахмеджанов Р.А., Хабибуллин Р.А. Efficient optical-to-terahertz conversion in large-area InGaAs photo-Dember emitters with increased indium content Optics Letters (год публикации - 2021)

9. И.Е. Иляков, Б.В. Шишкин, В.Л. Малевич, Д.С. Пономарев, Р.Р. Галиев, А.Ю. Павлов, А.Е. Ячменев, С.П. Ковалев, М. Чен, Р.А. Ахмеджанов, Р.А. Хабибуллин Efficient optical-to-terahertz conversion in large-area InGaAs photo-Dember emitters with widely variable indium content Optics Letters, 46(14), 3360-3363 (2021) (год публикации - 2021)
10.1364/OL.428599

10. Пономарев Д.С., Лаврухин Д.В., Зенченко Н.В., Фролов Т.В., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Катыба Г.М., Курлов В.Н., Отсудзи Т., Зайцев К.И. Boosting THz photoconductive antenna-emitter using optical light confinement behind a high refractive sapphire fiber-lens Optics Letters, 47(7), 1899-1902 (2022) (год публикации - 2022)
10.1364/OL.452192

11. Ячменев А.Э., Хабибуллин Р.А., Пономарев Д.С. Recent advances in THz detectors based on semiconductor structures with quantum confinement: a review Journal of Physics D: Applied Physics, 55, 193001 (2022) (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6463/ac43dd

Публикации