Hamamatsu Photonics ประสบความสําเร็จในการพัฒนากําลังเอาต์พุตเลเซอร์ควอนตัม Cascade Laser (QCL) โดยการวิเคราะห์หลักการการสร้างคลื่น terahertz โดยใช้เทคโนโลยีการออกแบบออปติคอลของ Hamamatsu เองและตะแกรงกระจายแสงที่มีประสิทธิภาพสูงตะแกรงเรโซเนเตอร์ภายนอก โมดูล QCL ตัวแรกของโลกที่สามารถสร้างคลื่น terahertz ของความถี่ใด ๆ ในช่วง 0.42 ~ 2THz
โมดูล QCL มีลักษณะอย่างไร
ผลการวิจัยหลัก
1. กําลังขับสูงกว่า QCL แบบไม่เชิงเส้นของ terahertz ก่อนหน้านี้ถึง 5 เท่า Hamamatsu Photonics วิเคราะห์หลักการของการแพร่กระจายของคลื่น terahertz ภายใน Terahertz nonlinear QCL และพบว่าการเชื่อมต่อของพื้นผิวด้านบนกับเลนส์ซิลิคอนที่มีความต้านทานสูงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการสร้างคลื่น terahertz และใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกที่สะสมในช่วงหลายปีที่ผ่านมา และเทคโนโลยีกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างภายในเพื่อเพิ่มเอาต์พุตสูงสุดที่จุดความถี่ 1THz ไปยังระดับย่อยมิลลิวัตต์ซึ่งมากกว่า 5 เท่าของ QCL แบบไม่เชิงเส้นแบบดั้งเดิม
2. โมดูล QCL ปรับความถี่ 0.42 ~ 2THz เครื่องแรกของโลก Hamamatsu Photonics ได้ทําการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับวัสดุของฟิล์มป้องกันการสะท้อนบนพื้นผิวด้านบนของ Terahertz nonlinear QCL ในเวลาเดียวกันผ่านเทคโนโลยีการออกแบบออปติคอลที่เป็นเอกลักษณ์ตะแกรงกระจายแสงที่ตรงกันจะถูกตั้งค่านอก QCL เพื่อสร้างเรโซเนเตอร์และเอียงถูกควบคุมโดยเครื่องใช้ไฟฟ้า โมดูล QCL ตัวแรกของโลกที่สามารถสร้างคลื่น terahertz โดยพลการในช่วง 0.42 ถึง 2 THz ที่อุณหภูมิห้องได้รับการตระหนัก
บ่งชี้การสลับความถี่
หลักการสลับความถี่: ลําแสงเลเซอร์อินฟราเรดกลางที่ปล่อยออกมาจาก QCL แบบไม่เชิงเส้นของ terahertz สะท้อนให้เห็นในตะแกรงกระจายแสง ในกรณีนี้การสลับความถี่ของคลื่น THz ทําได้โดยการควบคุมตะแกรงกระจายแสงด้วยไฟฟ้าและเปลี่ยนความโน้มเอียง
พื้นหลัง R & D
เนื่องจากส่วนประกอบต่าง ๆ ที่มีอยู่ในตัวอย่างที่จะทดสอบความถี่ของคลื่น terahertz ที่ดูดซึมได้ง่ายจะแตกต่างกัน ผลการวิจัยคาดว่าจะใช้สําหรับการประเมินคุณภาพและการวิเคราะห์แบบไม่ทําลายกลุ่มตัวอย่าง นอกจากนี้เนื่องจากคลื่น terahertz มีความถี่สูงกว่าย่านความถี่ที่ใช้โดยมาตรฐานการสื่อสารความเร็วสูง "5G" ผลิตภัณฑ์นี้จึงคาดว่าจะใช้สําหรับการสื่อสาร "6G" รุ่นต่อไป
ในปี 2018 Hamamatsu Photonics ได้พัฒนา QCL แบบไม่เชิงเส้นของ Terahertz โดยใช้เทคโนโลยีการออกแบบโครงสร้างควอนตัมที่เป็นเอกลักษณ์โดยใช้การออกแบบสถานะพลังงานสูงคู่ต่อต้านการข้าม (AnticrossDAUTM) Terahertz nonlinear QCL นี้สามารถเปลี่ยนความถี่ของคลื่น terahertz และฉายรังสีตามส่วนประกอบที่มีอยู่ในตัวอย่างแล้วปรับปรุงความแม่นยําในการวิเคราะห์ตามอัตราการดูดซึม อย่างไรก็ตามปัจจุบันยังไม่มีแหล่งกําเนิดแสงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถบรรลุการเปลี่ยนแปลงความถี่ในโมดูลเดียว ดังนั้น Hamamatsu Photonics จึงได้วิจัยและพัฒนาโมดูล QCL ที่เปลี่ยนความถี่
สรุปผลสัมฤทธิ์ทางการเรียน R&D
ในรายงานการวิจัยนี้ Hamamatsu Photonics ได้วิเคราะห์หลักการการสร้างคลื่น terahertz ใน QCL และปรับโครงสร้างภายในให้เหมาะสมโดยใช้เทคโนโลยีการเติบโตของผลึกและเทคโนโลยีกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ที่สะสมในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ในขณะเดียวกันหลักการของการแพร่กระจายของคลื่น terahertz ภายใน QCL ก็ได้รับการวิเคราะห์เช่นกันและพบว่าการเชื่อมต่อระหว่างพื้นผิวด้านบนและเลนส์ซิลิคอนที่มีความต้านทานสูงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการสร้างคลื่น terahertz และเพิ่มกําลังขับได้มากกว่า 5 เท่าในอดีต การรวมเทคโนโลยีการออกแบบออปติคอลที่เป็นเอกลักษณ์ของ Hamamatsu Photonics และการจับคู่ QCL กับตะแกรงกระจายแสงที่เหมาะสมเรโซเนเตอร์ภายนอกที่มีประสิทธิภาพจะเกิดขึ้นจากนั้นความโน้มเอียงจะเปลี่ยนไปโดยการควบคุมตะแกรงกระจายด้วยไฟฟ้าจึงตระหนักถึงโมดูล QCL 0.42 ~ A แรกของโลกที่สร้างคลื่น terahertz ของความถี่โดยพลการในช่วง 2THz
ผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าในกรณีของความถี่การดูดซึมที่แตกต่างกันของส่วนประกอบต่าง ๆ ในตัวอย่างที่จะทดสอบโดยใช้โมดูลเพื่อเปลี่ยนความถี่และฉายรังสีคลื่น terahertz แถบแคบเพื่อตรวจสอบอัตราการดูดซึมของแต่ละองค์ประกอบสามารถปรับปรุงยาอาหารและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ การประเมินคุณภาพและความถูกต้องของการทดสอบแบบไม่ทําลาย นอกจากนี้ยังคาดว่าจะนําไปใช้กับการระบุวัสดุพอลิเมอร์โมเลกุลสูงเช่นพลาสติกที่ไม่สามารถระบุได้ง่ายมาก่อน ถัดไป Hamamatsu Photonics จะยังคงศึกษาโครงสร้างการกระจายความร้อนของ QCL ในเชิงลึกโดยมีเป้าหมายเพื่อให้บรรลุการทํางานที่มั่นคงและต่อเนื่องของคลื่น THz คาดว่าคลื่น THz จะถูกใช้ในสาขาต่างๆเช่นดาราศาสตร์วิทยุเพื่อสังเกตจักรวาลและความเร็วในการส่งข้อมูลจะถึงหลายร้อยกิกะบิตต่อวินาที การประยุกต์ใช้ในทิศทางการพัฒนาของการสื่อสารไร้สายระยะสั้นความจุสูงพิเศษ
ในอนาคต Hamamatsu Photonics จะใช้เทคโนโลยีระบบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (MEMS) ที่เป็นเอกลักษณ์เพื่อลดขนาดโมดูล QCL ให้เหลือเพียงปลายนิ้วสัมผัส
