КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Лазер на двойной гетероструктуре: МЕЖЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ
ЭЛЕКТРОНЫ
ФОТОН
КВАНТОВАЯ ЯМА
ЗОНА ПРОВОДИМОСТИ
ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА
МЕЖЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ
ДЫРКИ
-V
ИНВЕРСИЯ НАСЕЛЕННОСТИ
Электрон-дырочная пара рождает один фотон
DHL – биполярный прибор
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
1
2
3
QW n
QW n+1
1
2
Туннелирование с участием фотона
Релаксация
Многослойная полупроводниковая периодическая гетероструктура
AIIIBV (MBE или MOCVD)
Туннелирование
Испускание фотона
Релаксация
τ relax
QCL - униполярный прибор
Слайд Р.А. Суриса и др.

Преимущества ККЛ
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 перестра-ивается приложенным напряжением
Один электрон, проходя через каскадную структуру, рождает много фотонов
►Предпосылки для высокой выходной мощности
Возможность создания инверсии населенности при kB T > ħ ω
►Длинноволновое лазерное излучение при комнатной температуре
Слайд Р.А. Суриса и др.

Первый ККЛ (λ = 71 ТГц, P = 8 мВт, Тмакс = 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 AIII BV
E ~ 105 В/см
Диэлектрический волновод
с обкладками из Al0.48In0.52As,
w = 12 мкм, L ≤ 700 мкм
Г = 0.46, n = 3.26, R = 0.27

Приложения ККЛ
23 ÷ 85 THz – fingerprint region of trace gases (NH4, CO, N2O, …)
► Датчики контроля загрязнения окружающей среды
► Контроль технологических процессов в промышленности
► Медицина: анализ выдоха, ранняя диагностика язвы, рака etc
23 ÷ 37 THz, 60 ÷ 100 THz – atmospheric windows
► Оптическая связь (через туман, дождь, дым – благодаря длинным волнам)
► Круиз-контроль в автомобилях, противостолкновительные радары
QCLs
Средний ИК диапазон

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)
S.W. Smye, J.M. Chamberlain, A.J. Fitzgerald and E. Berry // Phys. Med. Biol. – 2001. – Vol.46. – P.R101-R112.
Дальний ИК диапазон (ТГц диапазон)

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

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

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

Перестройка частоты
Qi Qin, Benjamin S. Williams, Sushil Kumar, John L. Reno and Qing Hu
NATURE PHOTONICS | VOL 3 | DECEMBER 2009

Линзы
Qing Hu, Alan W. Min Lee, Sushil Kumar,
OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 19 / October 1, 2007
34 – spacer
36 – lens
38 – retaining clip

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

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

Квантовые каскадные лазеры

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

ККЛ в ИФМ РАН

Спектры ККЛ

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).

Гетероструктуры на основе HgCdTe с квантовыми ямами

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