11 Квантовые каскадные лазеры И. И. Засавицкий Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН 1. Принцип действия, рабочие схемы и устройство ККЛ 2. Проблема. - презентация

1 11 Квантовые каскадные лазеры И. И. Засавицкий Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН 1. Принцип действия, рабочие схемы и устройство ККЛ 2. Проблема расширения спектрального диапазона. Перестройка. 3. Тем-рная зависимость порогового тока 4. ВАХ, ВтАХ, спектр излучения и рекордные мощности излучения 5. О КПД от розетки ( 50 %) 6. Некоторые применения ККЛ, срок службы 7. ФИАН, Полюс, Инжект, Шеффилд 8. Выводы и перспективы XII Всероссийская молодежная конкурс-конференция по оптике и лазерной физике (12-16 ноября 2014 г., Самара)

2 Некоторые вехи квантования в физике твердом теле Магнитное квантование 1. Циклотронный мазер на уровнях Ландау в InSb, 1960, B. Lax; 1964, Wolf 2. Спин-флип-лазер, 1970, C. Kumar N. Patel (Bell Labs) 1971, И.И.Засавицкий, Б.Н.Мацонашвили, А.П.Шотов 3. Излучение между уровнями Ландау и примесью, 1972, (~1000 мкм, 10 н Вт), E. Gornik (Vienna); 1973, ~ 100 мкм, Osaka Uni + Hitachi Размерное квантование 1. «Акустическая» СР с периодом ~ 100 нм, 1962, Л.В. Келдыш (ФИАН) 2. КРЭ в пленках Bi толщиной 10 – 100 нм, 1966, В.Н. Луцкий (ИРЭ) 3. MBE + сверхрешетка, 1970, A. Cho (Bell Labs); L. Esaki, R. Tsu (IBM) 4. Усиление в СР + каскадирование, 1971, Р.Ф. Казаринов, Р.А. Сурис (ЛФТИ) 5. Большой дипольный переход в КЯ GaAs, 1985, West&Eglash (Stanford) 6. Межподзонное излучение в СР GaAs/AlGaAs,1989, Helm et al. (Belcore, NJ) 7. Graded HS, coupled QW, nonlinearity, rates, EL, , Capasso (Bell Lab) 8. Квантовый каскадный лазер, 14 января 1994 г., J. Faist, F. Capasso, A. Cho, C. Sirtori, C. Gmachl, A. L. Hutchison, D. L. Sivco (Bell Labs) 2

3 3 Р.Ф. Казаринов (Bell Labs, пенсионер) и Р.А. Сурис (ФТИ, С.-П.) ККЛ: наша первоначальная идея и некоторые недавние теоретические результаты (Цюрих, Январь 2014 г.) О возможности усиления электромагнитных волн в полупроводнике со сверхрешеткой (ФТП, 1971) + расчеты (ФТП, 1972): СР помещалась в сильное электрическое поле и рассматривалось последовательное резонансное туннелирование ( каскадирование) и межподзонные переходы с усилением Сейчас работы по ККЛ на квантовых точках. Ожидаются J th ~ 10 A/см 2

4 Создатели квантового каскадного лазера 4 Science, 264, 553 (1994) Bell Labs, 1994 Carlo Sirtori Deborah L. Sivco Jerome Faist Clare Gmachl Federico Capasso Alfred Y. Cho Здесь отсутствует А.L. Hutchinson

5 55 Принцип действия и устройство диодного лазера и гетеролазера Это между зонные, биполярные приборы! 1) F n – F p h E g 2) Обратная оптическая связь

6 66 Квантоворазмерный и туннельный эффекты При когерентном резонансном туннелировании (L z в нм) При и

7 77 Простейшая схема вертикальных переходов Ширина спектра ЭЛ составляет h 10 мэВ. Для диагональных переходов она возрастает до h 20 мэВ. Она растет с Т и практически примерно вдвое больше для обоих типов переходов. Толщина = 4, 1 и 3 нм Энергии уровней и распределение электронной плотности

8 8 8 Схема ККЛ с вертикальными переходами и инжектор [Capasso et al., APL, 67, 3057 (2001)] E = 70 кВ/см Вертикальные излучательные переходы происходят внутри одной квантовой ямы. Ширина линии мала (~ 10 мэВ). Инжектор- это слегка апериодическая и частично легированная СР. Его функции: 1. служит резервуаром для электронов и их охлаждения; 2. исключает образование доменов в электрическом поле; 3. формирует мини щель (мини гэп), которая блокирует переходы с верхнего лазерного уровня; 4. Разность между нижним лазерным уровнем и основным уровнем инжектора есть мера обратного заброса электронов Ширины ям и барьеров (жирные) слева направо: 6,8/4,8/2,8/3,9/2,7 нм

9 99 Схема работы ККЛ. Инжекция и релаксация электронов в активной области ККЛ (4-уровневая схема). Роль LO-фонона. При большом числе N p можно получить див > 1! Введена еще одна узкая КЯ для локализации электрона Е ~ 50 кВ/см E 3 – E 2 = h = 0,1 – 0,2 эВ E 2 – E 1 h LO = 35 мэВ τ 32 = 2 – 5 пс τ 21 = 0,2 – 0,4 пс τ esc ~ 15 пс τ tun 0.2 пс τ rad 2 нс i = 3x10 -4 ! каскадирование (от 25 до 100 каскадов) esc Ямы Ga 0,47 In 0,53 As Барьеры Al 0,48 In 0,52 As Е с = 520 мэВ 0,8/3,5/3,5/3/2,8/3 нм

10 10 Ранняя эволюция рабочих схем ККЛ (от 2 до 5 ям) Узкая КЯ обеспечивает резонансную связь верхнего лазерного уровня с основным состоянием инжектора [Faist et al., JQE, 38, 533 (2002)]

11 11 Оптимизация рабочей схемы Она, как правило, заключается в следующем: 1. Эффективная туннельная инжекция на верхний лазерный уровень (иногда селективная) 2. Уменьшение тока утечки на верхние состояния и в континуум 3. Эффективная экстракция электронов с нижнего лазерного уровня 4. Уменьшение обратного заброса носителей заряда, который растет с увеличением температуры (снижение вольтового дефекта). Процесс оптимизации зависит от конкретной задачи и схемы, требует компромиссного подхода. При симуляции варьируются параметры гетероструктуры (ширины ям и барьеров, высота барьеров, значение электрического поля и др.)

12 12 Схематическая классификация оптических и безызлучательных переходов в различных ККЛ [И.И.Засавицкий, КЭ, 42, 863(2012)] Оптические переходы между верхними и нижними лазерными состояниями: 1. Синглет-синглетные вертикальные в реальном пространстве 2. Синглет-синглетные диагональные в реальном пространстве 3. Синглет – квази континуум 4. Дублет – синглет 5. Дублет-континуум 6. Межминизонные в сверхрешетках Безызлучательные переходы с участием продольного LO-фонона: 1. Однофононные резонансные переходы (как правило, анти кроссинг) 2. Однофононные переходы «синглет – континуум» 3. Последовательные резонансные переходы с участием 2 фононов 4. Последовательные резонансные переходы с участием 3 фононов 5. Однофононные резонансные переходы + переход «синглет»-континуум

13 13 Index refraction profile and mode intensity distribution [S&S, 66, 1(2000)] TEM image of diagonal QCL [JMP, 37, 4775 (1996)]

14 14 Конструкция полоскового ККЛ (внешние размеры, волновод, квантовые ямы и инжектор) N = 3,1/3,2/3,5/3,35 для InP/AlInAs/GaInAs/АО ~ 30 периодов (500 – 1000) слоев

15 15 Внешний вид ККЛ, смонтированного на пластинке МД-50 и соединенного с коваровым электро вводом Толщина 0,15 мм Ширина 0,5 мм Ширина полоска 15 – 30 мкм Длина резонатора L = 3 мм Размер держателя 4 х 5 х 8 мм Медь Моб

16 16 Сравнение квантоворазмерных междузонных и межподзонных переходов Квантовый каскадный лазер: - униполярный прибор - h = f(L z ) - Оже-рекомбинация подавлена - узкая ширина линии усиления ( -образный профиль) L z

17 17 Вопрос: Какие реально энергии излучательных переходов можно получать в ККЛ, т.е. какова рабочая область спектра лазеров? Это определяется глубиной квантовой ямы, т.е. величиной разрыва зон ( E c или E v ). А она относительно невелика (0,3 – 1 эВ), т. е. длина волны излучения находится в средней 5 – 24 мкм) и в далекой (67 – 250 мкм) ИК, терагерцевой области спектра! Ответ: Коротковолновые ККЛ получаются только в напряженно- компенсированных ГС (до 3 мкм) или с применением Sb (до 2,6 мкм)! h = f(L z ) только ли ?

18 18 Проблема E c Выбор гетеро пары GaInAs AlInAs/GaInAs - InP AlGaAs GaAs/AlGaAs - GaAs AlSb AlInAs ~ 2 эВ GaAs InAs InAs/AlSb на InAs или GaSb InGaAs/AlAsSb на InP m e = m 0 GaAs/AlAs E g ~ 1eV Непрямой разрыв - X составляет лишь E c ~ 0.2 эВ Для напряженных гетеро пар AlInAs/GaInAs/InP E c ~ 0,6 - 0,7eV ~ ~ ~ ~ 0,39 эВ Положение боковых минимумов требует изучения m e = m 0 m e = m 0 0,52 эВ

19 19 Связь между шириной запрещенной зоны и постоянной решетки для некоторых изо периодических полупроводников типа III-V Ga x In 1-x As/Al y In 1-y As/InP x y a/a E c, эВ E c = 0,39 0,52 ~ 2 эВ m e = 0,067 0,043 0,024 m 0

20 20 Температурная зависимость порогового тока

21 21 Температурная зависимость пороговой плотности тока Оже-рекомбинация подавлена! = dP/dI

22 22 Спектр излучения

23 23 Спектры излучения в импульсном многомодовом и непрерывном одномодовом режимах при 300 К 1. Подавление других мод 30 дБ 2. Перестройка 12 см -1 при изменении температуры от С до С Компания Alpes Lasers k = 1/2LN ~ 0.7 см -1 L=2,25 мм Около 40 мод [Capasso et al., RPP, 64, 1533 (2001)]

24 24 Ширина линии излучения [Capasso et al., JQE, 38, 511 (2002); 40, 1663 (2004)] 1. Свободная генерация, λ = 8,5 мкм, δν = 150 к Гц (5 х см -1 ), 15 мс 2. Со стабилизацией частоты, λ = 8,5 мкм, δν = 12 к Гц (4 х см -1 ) 3. Гетеродинирование двух ККЛ δν = 2-5,6 Гц (~ см -1 ), ~1 c 4.OE, 19, (2011): DFB, 300 K, λ = 4,3 мкм, δν = 260 Гц 5.NatPhot, 6, 525 (2012): низкие Т, ν = 2,5 ТГц (λ = 8,5 мкм), δν = 90 Гц Фактор α отражает вариации N активной среды (флуктуации инверсии населенностей), что приводит к «дрожанию» частоты. Для диодных лазеров α = 5-30, но для ККЛ α 0.2 (иногда 0.5-2); для лазера на квантовых точках α = 0.5 – 0.6

25 25 Расширение спектрального диапазона генерации в пределах разрыва зон

26 26 Продвижение в коротковолновую область Проблемы: 1. Утечка в континуум из-за термической активации носителей 2. Междолинное рассеяние в Х- и L-долины (в III-V) 3. Резонансное пере поглощение внутри области экстракции 4. Сужение квантовых ям ужесточает требования к качеству интерфейса и контролю напряжений в процессе роста 5. Увеличивается рабочее напряжение, т.е. проблема тепловыделения Решения: 1. InAs/AlSb на InAs: = 2,6 мкм; 5,5 кА/см 2 и 260 м Вт при 80 К [Баранов и др., APL, 96, (2010)] 2. Композитные ямы и барьеры In 0.73 Ga 0.27 As/AlAs(Sb)/InP: = 3,1 мкм; 3,5 кА/см 2 и 120 м Вт при 80 К [Masselink et al., SPIE, (2008)] 3. In 0.7 Ga 0.3 As/AlAs(Sb)/InP: = 3,3 мкм; 3,5 кА/см 2 и 3,5 Вт при 300 К [Cockburn et al., 97, (2010)) ] 4. Без Sb, но с AlAs! In 0.72 Ga 0.28 As/In 0.52 Al 0.48 As-AlAs/InP; bound-enlarged continuum + split-injector barrier; L-долина на 30 мэВ выше Х-долины, и обе они выше верхнего лазерного уровня ): = 3,3 мкм; 3,5 кА/см 2 и ~ 1 Вт при 300 К; до 350 К [Faist et al., 98, (2011)]

27 27 Основные проблемы при разработке длинноволновых лазеров (выше энергии LO-фонона) 1. При уменьшении энергии фотона труднее создать инверсию, т. к. время жизни верхнего лазерного уровня уменьшается из-за увеличения скорости рассеяния с участием LO-фонона. 2. Утечка носителей из инжектора непосредственно на нижний лазерный уровень аналогично становится больше. 3. Малая энергия фотона приводит к низкой вольтовой эффективности: отношение уменьшения энергии фотона к полному уменьшению энергии на всей структуре. 4. Волноводные потери растут как квадрат длины волны излучения. Нужна оптимизация: повышение эффективности инжекции и экстракции электронов, снижение обратного заброса и утечек носителей Для гетеро пары GaInAs/AlInAs (ħ LO = 34 мэВ) max = 24 мкм Дальше не пускает LO–фонон!

28 28 ККЛ на основе InAs/AlSb с длиной волны излучения около 2,6 мкм [Баранов и др., APL, 96, (2010)] InAs/AlSb E c = 2,1 эВ; Растояние между Г-L минимумами в InAs составляет 0,73 эВ. При квантовании уровни в боковых долинах движутся вверх медленне из-за большей m *. Фиксируем верхний (ниже L-минимума) и понижаем нижний Г-уровень. Для этого ослабляется связь между активными квантовыми ямами InAs. Барьер до 1,7 нм, а яму поуже для заданной энергии. Таким образом снижается утечка носителей в L– долину. GSMBE; n-InAs(100); 30 каскадов HR; λ = 2,63-2,65 мкм; до 175 К, P имп = 260 м Вт (80 К; = 100 нс; f = 10 к Гц) 3 ямы; e 3 – e 2 0,47 эВ 2,6/4,2/1,7/3,7/1,7/3,3/1,4/2,8....

29 29 Область плавной перестройки частоты и мощность излучения лазера с внешним дисперсионным резонатором (CW, 950 мА, С) (Faist et al., AP, B92, 305(2008)) Δk = 160 см -1

30 30 ККЛ «пять в одной» с внешним резонатором ( = 7,6 – 11,4 мкм) [Faist et al., APL, 95, (2009)]: 5 активных областей, 76 каскадов, переходы «связанное состояние континуум», область 7,6 – 11,4 мкм (432 см -1 ), схема Литтрова, = 0,12 см -1, J th = 6 кА/см 2, Р имп ~ 1 Вт при 15 0 С См. также гетеро- генный ТГц ККЛ SPIE, 79530P(2011) Диагональный 3 АО, 80 раз 2,2 – 3,2 ТГц f/f ~ 0,4 285 А/см 2 Т max = 125 K

31 Вольтамперные и ваттамперные характеристики 31

32 32 Вольтамперная и ваттамперная характеристики мощных ККЛ в импульсном и непрерывном режиме λ = 4,9 мкм; 40 каскадов; КПД = 27 % при 298 К Импульсный режим [Razeghi et al., APL, 98, (2011)] λ = 4,6 мкм Непрерывный режим Фирма Pranalytica [Patel at al., APL, 95, (2009)]

33 33 Рекорды в импульсном и непрерывном режиме 1. Импульсный режим, = 200 нс; Т = 298 К; широкий лазер (400 мкм); L = 3 мм; epi-up/Cu; = 4,45 мкм; 120 Вт! [Razeghi et al., 95, (2009)] 2. Непрерывный режим при Т = 80 К; BH, HR, 5 ммx12,5 мкм, = 4,6 мкм; Р = 7,3 Вт; КПД = 30 %; [OptEng, 49, (2010)] = 9 мкм; Р = 2 Вт (300 K) [Patel et. al., OE, 20, 24272(2012)] 3. Обычно РОС-лазеры дают ~ 0,1 Вт мономодового излучения. Рекорд получен на вертикальной схеме переходов с двухфононным опустошением. Эффективная связь с поверхностным плазмоном. BH, HR, AR, 5 ммх 8 мкм; Т = 298 K; = 4,8 мкм; Р CW (298 К) = 2,4 Вт, 30 дБ, перестройка см -1 при токе 1-1,7 А, 1 лепесток. [Razeghi et al., 98, (2011)]

34 34 О КПД от розетки

35 35 ККЛ излучает больше света, чем тепла: КПД > 50 % [ NatPhot, 4, 95 (Gmachl et al.) и 99 (Razeghi et al.) (2010) ] 3-ямная АО, однофононное опустошение и одноямный инжектор Слегка диагональный переход При низких Т обратный заброс мал и можно снизить вольтовый дефект MBE; 80 периодов; 2 мм х 6 мкм ~ 5 мкм; КПД = 53 % при 40 К Ультрасильная связь с инжектором, что снижает влияние интерфейса. Тогда при толщине инжекционного барьера ~ 1 нм связь (расщепление) составляет ~ 10 мэВ. 3-ямная АО; 2-фононное опустошение. Слегка диагональный переход из-за связи MOCVD; 43 периодов; 3 мм х 14 мкм ~ 4,5 мкм; КПД = % при Т 160 К

36 Терагерцовые ККЛ 36

37 Терагерцовый ККЛ = 30 – 300 мкм = 1 – 10 ТГц hν = 4,1 – 41 мэВ 37 Основные проблемы: 1 1. Выбор материала и энергии продольного оптического фонона (полосы остаточных лучей) 2. Т. к. велика длина волны, то большая толщина структуры,, что затруднительно, особенно для МЛЭ. Переход к плазмонному отражению, использование металлических волноводов 3. Возрастание потерь из-за поглощения на свободных носителях заряда = 90 мкм Hu et al., APL, 82, 1015 (2005)

38 38 П/п источники ТГц-излучения, включая ККЛ Тип лазера и условия МатериалТ, К, мкм f, ТГцР, м Вт ККЛ импульсный J th = 0,1-0,6 кА/см 2 GaAs/Al 0,15 Ga 0,85 As ; 88 1,2-5; 3,4 8-56; 1000 ! ККЛ непрерывный J th = 0,2-0,6 кА/см 2 GaAs/Al 0,15 Ga 0,85 As5-117 (3 ТГц) ; 70 1,2-5 4,7 0,4-12; 135 (5К) ! ККЛ импульсный ( ~10 мкм) 3 = GaInAs/AlInAs300863,50,2 (1,4) 0,7 кВ/см; 0,42 Тp-Ge:Ga ,02-1,3 СО 2 -лазер; 30 к Вт/см 2 ; 0,1 мкс; 1Гц; Si:P (Sb, Bi) ~ 10 3 ЭЛ; нс; 413 ГцSi:B; ρ=1-10 Ом·см ,10,03 (4К) Nd-лазер + парам. генер.; ~ 17 МВт/см 2 ; 5 нс; 10 Гц GaSe; толщина 15 мм 3003 – , х ,2 Т; 1,56 мкм; 0,16 Вт; 0,1 пс; 50 МГц n-InSb, 4 х см ,3 - 1Max у 0,5 Тгц Генераторы на ЛОВ; 1,5 – 6 кВ; непрерывный ,5 -3

39 39 Рассчитанная энергетическая диаграмма активной области ККЛ на Ga 0.47 In 0.53 As/Al 0.48 In 0.52 As с двухфононной релаксацией [И.И.Засавицкий и др., КЭ, 54 (2013)] 35/23/8/66/9/64/9/58/20/40/12/40/12/40/13/39/17/38/21/35/22/35 Å Е 6 -Е 5 = 43 мэВ Е 5 -Е 3 = 138 мэВ = 9 мкм Е 3 -Е 2 = 36,2 мэВ Е 2 -Е 1 = 35,5 мэВ МОС-гидридная эпитаксия Университет в Шеффилде n-InP(100) 2 х см -3 N(Si) ~ 1x10 17 см слоя 35 каскадов

40 40 Уширение и расщепление спектров излучения ККЛ на GaInAs/AlInAs в квантующем магнитном поле [И.И.Засавицкий и др., КЭ, 54,144(2013)] = 9 мкм k = 1/2NL 0,5 см -1, где L = 3 мм и N 3,4 B (7 T)= 30 нм B (40 T)= 13 нм ħ c (15 T) > ħ LO = 35 мэВ ħ c = (eħB/m*c) при m 0 * = 0,043m 0 g = 4,5 g B/ ħ c 0,1

41 41 Современный уровень разработок ККЛ 1. Область спектра: 2,6 – 24 мкм на GaInAs/AlInAs + антимониды 67 – 250 (440 + B) мкм на GaAs/AlGaAs 2. Рабочая температура: до 300 – 400 К для области мкм 3. Характеристическая температура Т 0 ~ 500 К 4. Диапазон одномодовой перестройки отдельного лазера с внешним дисперсионным резонатором до 500 см -1 (7,6 -11,4 мкм) 3. Мощность излучения для области спектра мкм в непрерывном режиме ~ 1 Вт и в импульсном режиме до ~ 100 Вт 4. КПД от розетки более 50 % при низких температурах. 4. Терагерцовые ККЛ: рабочая температура до 200 К, мощность до 1 Вт при 10 К; методами нелинейной оптики получена мощность 1.4 м Вт при 300 К Эти рекорды представляют фундаментальный интерес. Для практических целей приборы имеют мощности излучения на 1-2 порядка меньше. Все достигнуто в основном методом МЛЭ, хотя МОС-гидридная технология уже позволила приблизиться вплотную к этим достижениям. Здесь и нанофизика, и нанотехнология, и наноэлектроника.

42 42 Перспективы, проблемы Дизайн лазеров еще большой и не исчерпан. Увеличение мощности и КПД. Сейчас в среднем 1 Вт при = мкм (с оптимизмом до 15 мкм). Прогнозируется ~ 10 и более 100 Вт в непрерывном и импульсном режиме при комнатной температуре. Высокие значения КПД лазеров в непрерывном режиме > 30 % (сейчас в группе Разеги до 25 %). Коротковолновая сторона: Будут улучшаться характеристики лазеров на антимонидах для области спектра 2-4 мкм. Для оптической связи ( ~ 1,5 мкм) надо изучать новые гетеро пары с большим Е с (нитриды, II-VI). Ликвидация пробела мкм. Расширение полосы остаточных лучей: GaP/AlP (идеальное согласование) и InP/GaP (обе гетеро пары удобны для МОС-гидридной эпитаксии), GaN/AlN (большой разрыв и большая ħ LO ). ТГц-лазеры: Хотелось бы довести рабочую температуру до термохолодильников Пельтье и увеличить мощность для облучения целей и для пропускания сквозь частично поглощающую атмосферу. СозданиеККЛ на квантовых точках (Сурис и др.) с низкими значениями пороговой плотности тока (~ 10 A/см 2 ) и высокой Т 0 ~ 400 К.

43 43 Некоторые применения 1. Спектроскопия (разрешение см -1 ) 2. Газоанализ (чувствительность ppm-ppb-ppt) 3. Медицина (дыхательная диагностика, фармацевтика) 4. Гетеродинирование в ИК области спектра 5. Военные применения: ИК подсветка, буи, маяки, секретная связь в свободном пространстве, мониторинг без риска быть обнаруженным, усилители света в ПНВ, опознавание «свой-чужой» и т.д. О деградации и сроке службы ККЛ Лазер (strain-compensated); CW; T = 298 K; I = 0,85 A (чуть выше порога); P = 0,2-0,3 Вт. Нет изменений в течение ч для = 4,8 мкм и 3560 ч для = 4,6 мкм

44 Последние достижения по обнаружению следов газов с помощью полупроводниковых лазеров среднего ИК диапазона 44 Требования: 1. Чувствительность на уровне ppb 2. Селективность: в непрерывном режиме (0,0004 см -1 или 12 МГц) и в импульсном режиме (0,01 см -1 или 300 МГц) 3. Достаточная мощность 10 м Вт Регистрация в течение 1 с в многопроходных кюветах с использованием высокочувствит. фотоакустической спектроскопии с кварцевым резонатором (QEPAS = Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy). В таблице для 8 газов даны достигнутые предельные чувствительности Газλ, мкмS, ppb C2H6C2H6 3,360,74 NH 3 10,46 NO5,263 CO4,613 SO 2 7,24100 CH 4 7,2813 N2ON2O7,286 H2O2H2O2 7,7375 CH 3 OH~ 4 ТГц 7 х 10 3

45 Анализ выдыхаемого воздуха (3,3 –6,7 мкм) Быстро, в реальном масштабе времени, бесконтактно, точно, недорого -? Молекула Заболеваниеλ (мкм) Алканы (предельные углеводоро- ды ряда С n H 2n+2 ) Рак молочной железы 3,3 Ацетон С 3 Н 6 ОДиабет 3,4 Этан С 2 Н 6 Окислительный стресс 3,4 Отношение изотопов 13 СО 2 / 12 CO 2 Язва 4,3 Сульфид карбонила СОSРабота печени; экскременты 4,8 Окись азота NOАстма 5,2 Формальдегид СН 2 ОРак молочной железы 5,7 Ацетальдегид С 2 Н 4 ОРак легких 5,7 Аммиак NH 3 Работа почек 6,0 Сероуглерод СS 2 Шизофрения 6,7 45

46 46 Герметичный монтаж ККЛ Мощная и эффективная лазерная система на основе ККЛ для целей обороны и безопасности Pranalytica, C.K.N. Patel, SPIE Proc., 7325OL(2009) Лазерная система HP-4000 (блок питания, ТХ Пельтье и лазерная головка) Вес = 7,3+1,9 кГ На чипе при T = 293 K, CW, P = 3 Вт! λ = 4,6 мкм (15 мкмх 5 мм, алмаз) Система при T = 293 K, CW, P > 2 Вт! λ = 4,6 мкм кпд ~ 10 % Фонарик при Т = 293 К, _ _, Р > 100 м Вт λ = 4,6 мкм; срок службы ~ 10 ч P > 20 м Вт λ = 9,6 мкм; срок службы ~ 10 ч

47 47 Военные применения: ИК помехи (контрмеры), освещение целей в ИК области спектра, ИК маяки (буи) в атмосферных окнах DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) в течение последних лет сильно (120 млн. дол. в 2014 г.) финансирует такие центры как DayLight Solutions, Pranalytica, Princeton University, Northwestern University. Армия планирует оснастку более 1000 летательных cредств на сумму 1,5 млрд. дол. (LFW, 4, 2014). Achmed and his boyfriend

48 Литература 1. Р. Ф. Казаринов, Р. А. Сурис. ФТП, 5, 797 (1971). 2. J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho. Science, 264, 553 (1994). 3. C. Gmachl et al., Rep. Prog. Phys., 64, 1533 (2001). 4. F. Capasso et al., J. Faist et al. J. Quantum Electron., 38, 511; 533 (2002). 5. И. И. Засавицкий. Квантовая электроника, 42, 863 (2012). 6. F. Capasso et al., J. Math. Phys., 37, 4775 (1996). 7. F. Capasso et al., J. Quantum Electron., 40, 1663 (2004). 8. J. Faist et al., Appl. Phys. Lett., 95, (2009). 9. M. Razeghi et al., Appl. Phys. Lett., 98, (2011). 10. C. K. N. Patel et al., Appl. Phys. Lett., 95, (2009). 11. C. Gmachl et. al., M. Razeghi et al., Nature Photon., 4, 95; 99 (2010). 12. Q. Hu et al., Appl. Phys. Lett., 82, 1015 (2005). 13. C. K. N. Patel et al., SPIE Proc., 7325, 7325OL (2009). 14. A. N. Baranov et al., Appl. Phys. Lett., 96, (2010). 15. J. Faist et al., Appl. Phys, B92, 305 (2008). 16. A. G. Gavies, E. H. Linfield et al., Electron. Lett., 50, 309 (2014). 17. И. И. Засавицкий, Г. Т. Микаелян и др. Квантовая электроника, 43, 144 (2013). 18. J. Faist et al., in Semiconductors and Semimetals, vol. 66, 1 (2000). 19. Alpes Lasers,