КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ Ластовкин АА

Лазер на двойной гетероструктуре: МЕЖЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ Лазер на двойной гетероструктуре: МЕЖЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ЭЛЕКТРОНЫ ФОТОН ТОК КВАНТОВАЯ ЯМА ЗОНА ПРОВОДИМОСТИ ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА МЕЖЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДЫРКИ n p p -V ИНВЕРСИЯ НАСЕЛЕННОСТИ ЭНЕРГИЯ ФОТОНА = E G + E Q E + E Q H Электрон-дырочная пара рождает один фотон DHL – биполярный прибор ТОК 2 Слайд Р.А. Суриса и др.

Квантовый каскадный лазер : межподзонные переходы Исходная концепция : Р.Ф.Казаринов, Р.А.Сурис, ФТП, т.5, с.797 (1971) фотон энергия фотона Зона проводимости QW n QW n+1 Квантовая яма QW n QW n Туннелирование с участием фотона Релаксация -V Многослойная полупроводниковая периодическая гетероструктура A III B V (MBE или MOCVD) Туннелирование Испускание фотона Релаксация relax tunn QCL - униполярный прибор 3 Слайд Р.А. Суриса и др.

Преимущества ККЛ Энергии электронных уровней в структуре с квантовыми ямами зависят от толщин слоев и от смещения Энергии электронных уровней в структуре с квантовыми ямами зависят от толщин слоев и от смещения Частота лазерного излучения зависит от толщин слоев Частота лазерного излучения зависит от толщин слоев Частота лазерного излучения перестра- ивается приложенным напряжением Частота лазерного излучения перестра- ивается приложенным напряжением Один электрон, проходя через каскадную структуру, рождает много фотонов Один электрон, проходя через каскадную структуру, рождает много фотонов Предпосылки для высокой выходной мощности Возможность создания инверсии населенности при k B T > ħ ω Возможность создания инверсии населенности при k B T > ħ ω Длинноволновое лазерное излучение при комнатной температуре Photon Слайд Р.А. Суриса и др.

Первый ККЛ ( = 71 ТГц, P = 8 мВт, Т макс = 90 К) J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994) Пример ККЛ на основе A III B V E ~ 10 5 В/см Диэлектрический волновод с обкладками из Al 0.48 In 0.52 As, w = 12 мкм, L 700 мкм Г = 0.46, n = 3.26, R =

Приложения ККЛ 23 ÷ 85 THz – fingerprint region of trace gases (NH 4, CO, N 2 O, …) 23 ÷ 85 THz – fingerprint region of trace gases (NH 4, CO, N 2 O, …) Датчики контроля загрязнения окружающей среды Датчики контроля загрязнения окружающей среды Контроль технологических процессов в промышленности Контроль технологических процессов в промышленности Медицина: анализ выдоха, ранняя диагностика язвы, рака etc Медицина: анализ выдоха, ранняя диагностика язвы, рака etc 23 ÷ 37 THz, 60 ÷ 100 THz – atmospheric windows 23 ÷ 37 THz, 60 ÷ 100 THz – atmospheric windows Оптическая связь (через туман, дождь, дым – благодаря длинным волнам) Оптическая связь (через туман, дождь, дым – благодаря длинным волнам) Круиз-контроль в автомобилях, противостолкновительные радары Круиз-контроль в автомобилях, противостолкновительные радары QCLs Средний ИК диапазон 6

1 ÷ 6 THz Переходы с участием мелких примесей Циклотронный и парамагнитный резонансы Вращательные и колебательные возбуждения в жидкостях, газах и биологических объектах (колебания коллективных мод ДНК и белков) 6 ТГц ТГц Область остаточных Лучей GaAs 1 ТГц Поглощение на свободных носителях THz QCL S.W. Smye, J.M. Chamberlain, A.J. Fitzgerald and E. Berry // Phys. Med. Biol. – – Vol.46. – P.R101-R112. Дальний ИК диапазон (ТГц диапазон) 7

Волноводы ТГц Поглощение на свободных носителях Область остаточных Лучей GaAs 1 ТГц 6 ТГц 120 ТГц Дальний ИКСредний ИК 1.Диэлектрические волноводы 2.SL-SP Двойной металлический волновод SI-SP – semi-insulating surface-plasmon 9 ТГц 8

ККЛ для газовой спектроскопии: DFB IEEE J. Quant. Electr. V.38, P.569 (2002) 9

Применения ККЛ: газовая спектроскопия IEEE J. Quant. Electr. V.38, P.582 (2002) 10

Перестройка частоты Qi Qin, Benjamin S. Williams, Sushil Kumar, John L. Reno and Qing Hu NATURE PHOTONICS | VOL 3 | DECEMBER

Линзы Qing Hu, Alan W. Min Lee, Sushil Kumar, OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 19 / October 1, – spacer 36 – lens 38 – retaining clip 12

Линзы Qing Hu, Alan W. Min Lee, Sushil Kumar, OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 19 / October 1, 2007 Frequency 4.1 THz 13

ККЛ в ИФМ РАН Фото ТГц ККЛ фирмы TRION (г.Темпе, Аризона); L ~ 1.5 мм, w ~ 100 мкм. Ю.Г.Садофьев 14

Квантовые каскадные лазеры 15

Оптическая схема установки 1 – криостат замкнутого цикла 2 – лазер 3 – входной вакуумный волновод 4 – входное окно спектрометра 5 – выходной вакуумный волновод 6 – Ge/Ga приемник 7 – поворотное зеркало 8 – сферическое зеркало 9 – кварцевый делитель пучка 10 – неподвижное зеркало 11 – сканирующее зеркало 12 – сферическое зеркало 16

ККЛ в ИФМ РАН 17

Спектры ККЛ 18

Зависимость частоты излучения от температуры 1. A.L. Betz, R. T. Boreiko et al. / Optics Letters, 30, 1837 (2005). 2. D. Rabanus, U.U. Graf et al. / Optics Express, 17, 1159 (2009). 19

Гетероструктуры на основе HgCdTe с квантовыми ямами 20

ЦР в квантовых ямах HgCdTe S = (2πeB/ħc)(n + γ)

Основные тезисы 1.ККЛ – униполярный прибор. 2.Излучение фотонов при межподзонные переходах. 3.Частота излучения лазера зависит от толщин слоев и от смещения. 4.Один электрон, проходя через каскадную структуру, рождает много фотонов 5. ККЛ излучают в среднем ИК и в дальнем ИК (терагерцовом) диапазонах, но между ними существует область остаточных лучей в которой лазеры не работают. 6.Используются три типа волноводов: двойной металический (для дальнего ИК), диэлектрический и плазменный (для среднего ИК). 7.Частота излучения лазера определяется модами резонатора Фабри- Перро. 8.Частоту лазера можно перестраивать варьируя питающее напряжение, температуру, а также создавая механические напряжения в структуре. 9.Основное приложение ККЛ в нашем институте – спектроскопия узкозонных полупроводниковых наноструктур. 22