КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ А. А. Ластовкин Семинар аспирантов и студентов ИФМ РАН 2014 План • • • • • Принцип работы ККЛ Современные достижения Перестройка частоты ККЛ Приложения ККЛ Заключение 2 Принцип действия лазеров 3 Межзонные оптические переходы зона проводимости hω=Eg+Ee+Eh ток валентная зона 4 Межподзонные оптические переходы hω=E2-E1 зона проводимости Идея: Казаринов Р.Ф., Сурис Р.А., ФТП, 5, 797 (1971). Faist, J; Capasso, F; Sirtori, C; Sivco, D; Hu, A, Phys. Rev., Lett. 76, 1996 5 Первый ККЛ ( = 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) Диэлектрический волновод с обкладками из Al0.48In0.52As, w = 12 мкм, L 700 мкм Г = 0.46, n = 3.26, R = 0.27 E ~ 105 В/см Пример ККЛ на основе AIII BV 6 Различные дизайны активной области в б д а е г ж 7 Степень диагональности дизайна 0% диагонализации 30% диагонализации 8 Гетеросистемы InGaAs/AlInAs первый лазер, 4,2 мкм λ от 3,5 до 24 мкм (86-12 ТГц) Si/SiGe теоретическая проработка 40 мкм (7 ТГц) Semicond. Sci. Technol. 19 (2004) R75–R108 ИК диапазон КЯ InGaAs/AlAsSb λ=3 мкм (100 ТГц) depth_QW=1.6 eV Область остаточных лучей ТГц диапазон GaAs/AlGaAs Рассеяние на свободных носителях мкм λ от 750 до 60 мкм (0.4-5 ТГц) InAs/AlSb λ= <2.5 мкм (>120 ТГц, 0,5 eV) depth_QW=2.1 eV Optics & Laser Technology, Volume 57, April 2014, Pages 104–109 9 Частотный диапазон 10 Волноводы 11 Резонатор Фабри-Перо α ω Faist J. , Capasso F. и др., Science 264, 553 (1994) 12 Изменение модового состава ККЛ Напряжение ω 13 Изменение модового состава ККЛ Напряжение 14 Изменение модового состава ККЛ Температура 15 Изменение модового состава ККЛ Температура 16 Перестройка частоты одномодового ККЛ 17 Лазеры с РОС 18 Wire – ТГц ККЛ 19 Wire – ТГц ККЛ 3,6 % 20 Частота vs T ∆=5 ГГц L. Betz and R. T. Boreiko, July 15, 2005 / Vol. 30, No. 14 / OPTICS LETTERS D. Rabanus, U. U. Graf, February 2009 / Vol. 17, No. 3 / OPTICS EXPRESS 21 Перестройка в течение импульса излучения 22 Частота vs задержка ∆ =420 МГц Неопубликованный рекорд ∆ =788 МГц в течение 195 мкс Hensley J. M. et al. /Opt. Express. – 2009. – Т. 17. – №. 22. 800 МГц, 420 МГц, гетеродин., другой дизайн 23 Частота vs U В Я Алешкин «Современная физика поупроводников» 24 Частота vs U 25 Приложения ККЛ QCLs , m 2.5 150 , meV 500 8 f, THz 120 2 Средний ИК диапазон 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 26 радары Дальний ИК диапазон (ТГц диапазон) 1 ÷ 6 THz •Терагерцовое видение •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. 27 Основные тезисы 1. ККЛ – компактный полупроводниковый лазер с токовой накачкой. 2. Излучение фотонов на межподзонных переходах. 3. Один электрон, проходя через каскадную структуру, рождает много фотонов 4. ККЛ излучают в среднем ИК и в дальнем ИК (терагерцовом) диапазонах, но между ними существует область остаточных лучей в которой лазеры не работают. 5. Используются три типа волноводов: двойной металический и плазменный (для ТГц диапазона), диэлектрический (для среднего ИК). 6. Частота излучения лазера определяется модами резонатора (ФабриПерро) 7. Частоту лазера можно перестраивать варьируя за счёт изменения питающего напряжения, температуры, а также механическим способом, изменяя размеры области поля с помощью плунжеров. 28 Спасибо за внимание! 29