Квантовые каскадные лазеры - XIII Всероссийский молодежный

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)
1
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 нВт),
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, 1986-1994, 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
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 Jth ~ 10 A/см2
3
Создатели квантового каскадного лазера
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
4
Принцип действия и устройство
диодного лазера и гетеролазера
1) Fn – Fp  h  Eg
2) Обратная оптическая связь
Это междузонные, биполярные приборы!
5
Квантоворазмерный и туннельный эффекты
 
2
2
2
376n
En 
n   2 эВ
 2
2m L z
m Lz
2

При m  0,1 m 0 и Lz  3 нм
(Lz в нм)
E n  0,4n 2 эВ
U O  ΔE  (0,3  2) эВ
c
D ~ exp[ 0,325L B m (U 0  E) ]
D ~1
При когерентном резонансном
туннелировании
6
Простейшая схема вертикальных переходов
Энергии уровней и распределение электронной плотности
Толщина = 4,
1 и 3 нм
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.
7
Схема ККЛ с вертикальными переходами и инжектор
[Capasso et al., APL, 67, 3057 (2001)]
E = 70 кВ/см
Ширины ям и барьеров
(жирные) слева направо:
6,8/4,8/2,8/3,9/2,7 нм
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 минищель (минигэп),
которая блокирует переходы с
верхнего лазерного уровня;
4. Разность между нижним
лазерным уровнем и основным
уровнем инжектора есть мера
обратного заброса электронов
8
8
Схема работы ККЛ. Инжекция и релаксация электронов в активной
области ККЛ (4-уровневая схема). Роль LO-фонона.
Е ~ 50 кВ/см
esc
Введена еще одна узкая КЯ для
локализации электрона
Ямы Ga0,47In0,53As
E3 – E2 = h = 0,1 – 0,2 эВ
E2 – E1  hLO = 35 мэВ
τ32 = 2 – 5 пс
τ21 = 0,2 – 0,4 пс
τesc ~ 15 пс
τtun ≈ 0.2 пс
τrad ≈ 2 нс
i = 3x10-4! → каскадирование
(от 25 до 100 каскадов)
Барьеры Al0,48In0,52As
Ес = 520 мэВ
0,8/3,5/3,5/3/2,8/3 нм
 диф ( N p ) 
e P
Np
h 32 I
При большом числе Np можно получить диф > 1!
9
Ранняя эволюция рабочих схем ККЛ (от 2 до 5 ям)
[Faist et al., JQE, 38, 533 (2002)]
Узкая КЯ обеспечивает резонансную связь верхнего
лазерного уровня с основным состоянием инжектора
10
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.)
11
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 – квазиконтинуум
4. Дублет – синглет
5. Дублет-континуум
6. Межминизонные в сверхрешетках
Безызлучательные переходы с участием продольного LO-фонона:
1. Однофононные резонансные переходы (как правило, антикроссинг)
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
12
Index refraction
profile and mode
intensity distribution
TEM image of
diagonal QCL
[JMP, 37, 4775 (1996)]
[S&S, 66, 1(2000)]
13
Конструкция полоскового ККЛ (внешние
размеры, волновод, квантовые ямы и инжектор)
~ 30 периодов
(500 – 1000) слоев
14
N = 3,1/3,2/3,5/3,35 для InP/AlInAs/GaInAs/АО
Внешний вид ККЛ, смонтированного на пластинке
МД-50 и соединенного с коваровым электровводом
Толщина 0,15 мм
Ширина 0,5 мм
Ширина полоска
15 – 30 мкм
Длина резонатора
L = 3 мм
Медь Моб
Размер держателя
4х5х8 мм
15
 Lz 
Сравнение
квантоворазмерных
междузонных и
межподзонных переходов
Квантовый каскадный лазер:
- униполярный прибор
- h = f(Lz)
- Оже-рекомбинация подавлена
- узкая ширина линии усиления
(-образный профиль)
16
h = f(Lz) только ли ?
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 (Ec или Ev). 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, терагерцовой области
спектра!
Ответ:
Коротковолновые ККЛ получаются только в напряженнокомпенсированных ГС (до 3 мкм) или с применением Sb (до
2,6 мкм)!
17
Проблема Ec
Выбор гетеропары
me = 0.067 m0
Для напряженных
гетеропар
Непрямой разрыв 
- X составляет лишь
AlInAs/GaInAs/InP
~ 0.2 эВ
~
AlSb
~
me = 0.043 m0
GaAs/AlAs Eg ~ 1eV
Ec
~ 2 эВ
InAs
0,52 эВ
AlInAs
AlInAs/GaInAs - InP
GaInAs
AlGaAs
0,39 эВ
GaAs
GaAs/AlGaAs - GaAs
InAs/AlSb на InAs или GaSb
InGaAs/AlAsSb на InP
Ec ~ 0,6 - 0,7eV
me = 0.024 m0
Положение боковых
минимумов требует
изучения
18
Связь между шириной запрещенной зоны и
постоянной решетки для некоторых
изопериодических полупроводников типа III-V
2,4
GaxIn1-xAs/AlyIn1-yAs/InP
AlAs
2,0
Eg (эВ)
AlSb
1,6
GaAs
InP
x
0.47 0.3
y
0.48 0.6
a/a 0
1,2
0,8
0.02
Ec, 0.52 0.74
эВ
GaSb
0,4
InAs
0,0
0,56
0,57
0,58
0,59
0,60
0,61
0,62
а (нм)
Ec= 0,39
me = 0,067
0,52
0,043
~ 2 эВ
0,024 m0
19
Температурная зависимость порогового
тока
20
Температурная зависимость пороговой плотности тока
(T)  1 exp( T / T1 )
 = dP/dI
Гетеролазер
T0 = 100 K
Гомолазер
T0 = 50 K
2
J th (T)  J 0 exp( T / T0 )
Пороговая плотность тока (кА/см )
3
2
Первые ККЛ
T0 = 200 K
1
T0 = 500 K
0
0
100
200
300
400
Температура (К)
Оже-рекомбинация подавлена!
21
Спектр излучения
22
Спектры излучения в импульсном многомодовом и
непрерывном одномодовом режимах при 300 К
k = 1/2LN ~ 0.7 см-1 L=2,25 мм
Около 40 мод
[Capasso et al., RPP, 64, 1533 (2001)]
1.
2.
Подавление других мод 30 дБ
Перестройка 12 см-1 при изменении
температуры от -30 0С до +25 0С
Компания Alpes Lasers
23
Ширина линии излучения
[Capasso et al., JQE, 38, 511 (2002); 40, 1663 (2004)]
 
2
c 2 h 0 потери
4 N 2 P
(1   2 )
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
1. Свободная генерация, λ = 8,5 мкм, δν = 150 кГц (5х10-6 см-1), 15 мс
2.
Со стабилизацией частоты, λ = 8,5 мкм, δν = 12 кГц (4х10-7 см-1)
3.
Гетеродинирование двух ККЛ δν = 2-5,6 Гц (~ 10-10 см-1), ~1 c
4.
OE, 19, 17996 (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
24
Расширение спектрального диапазона
генерации в пределах разрыва зон
25
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 перепоглощение 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/см2 и 260 мВт при 80 К [Баранов и др.,
APL, 96, 141110(2010)]
2. Композитные ямы и барьеры In0.73Ga0.27As/AlAs(Sb)/InP:  = 3,1 мкм; 3,5
кА/см2 и 120 мВт при 80 К [Masselink et al., SPIE, 688913 (2008)]
3. In0.7Ga0.3As/AlAs(Sb)/InP:  = 3,3 мкм; 3,5 кА/см2 и 3,5 Вт при 300 К
[Cockburn et al., 97, 031108 (2010))]
4. Без Sb, но с AlAs! In0.72Ga0.28As/In0.52Al0.48As-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/см2 и ~ 1 Вт при
300 К; до 350 К [Faist et al., 98, 191104 (2011)]
26
Основные проблемы при разработке длинноволновых
лазеров (выше энергии LO-фонона)
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 гетеропары GaInAs/AlInAs (ħLO = 34 мэВ) max = 24 мкм
Дальше не пускает LO–фонон!
1.
27
ККЛ на основе InAs/AlSb с длиной волны
излучения около 2,6 мкм [Баранов и др., APL, 96, 141110 (2010)]
3 ямы; e3 – e2  0,47 эВ
InAs/AlSb Ec = 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,
Pимп = 260 мВт (80 К;  = 100 нс; f = 10 кГц)
2,6/4,2/1,7/3,7/1,7/3,3/1,4/2,8 ....
28
Область плавной перестройки частоты и мощность
излучения лазера с внешним дисперсионным
резонатором (CW, 950 мА, -30 0С) (Faist et al., AP, B92, 305(2008))
Δk = 160 см-1
29
ККЛ «пять в одной» с внешним резонатором ( =
7,6 – 11,4 мкм)
См. также гетерогенный ТГц ККЛ
SPIE, 79530P(2011)
Диагональный
3 АО, 80 раз
2,2 – 3,2 ТГц
f/f ~ 0,4
285 А/см2
Тmax = 125 K
[Faist et al., APL, 95, 061103(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, Jth = 6 кА/см2, Римп ~ 1 Вт при 15 0С
30
Вольтамперные и ваттамперные
характеристики
31
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, 181102 (2011)]
λ = 4,6 мкм
Непрерывный режим
Фирма Pranalytica
[Patel at al., APL, 95, 141113 (2009)]
32
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, 221104 (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, 111105(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 ммх8 мкм;
Т = 298 K;  = 4,8 мкм; РCW (298 К) = 2,4 Вт, 30 дБ,
перестройка 2084-2088 см-1 при токе 1-1,7 А, 1 лепесток.
[Razeghi et al., 98, 181106 (2011)]
33
О КПД от розетки
34
ККЛ излучает больше света, чем тепла: КПД > 50 %
[NatPhot, 4, 95 (Gmachl et al.) и 99 (Razeghi et al.) (2010)]
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 = 40-50 % при Т  160 К
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
35
Терагерцовые ККЛ
36
Терагерцовый ККЛ
 = 30 – 300 мкм
 = 1 – 10 ТГц
hν = 4,1 – 41 мэВ
Основные проблемы:
 = 90 мкм
Hu et al., APL, 82, 1015 (2005)
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
37
П/п источники ТГц-излучения, включая ККЛ
Материал
Т, К
, мкм
f, ТГц
Р, мВт
ККЛ импульсный
Jth = 0,1-0,6 кА/см2
GaAs/Al0,15Ga0,85As
5-200
10
60-250;
88
1,2-5;
3,4
8-56;
1000 !
ККЛ непрерывный
Jth = 0,2-0,6 кА/см2
GaAs/Al0,15Ga0,85As
5-117
60-250;
70
1,2-5
4,7
0,4-12;
135 (5К)!
ККЛ импульсный (~10 мкм)
GaInAs/AlInAs
300
86
3,5
0,2 (1,4)
0,7 кВ/см; 0,42 Т
p-Ge:Ga
4-20
75-300
1-4
0,02-1,3
СО2-лазер; 30 кВт/см2;
0,1 мкс; 1Гц;
Si:P (Sb, Bi)
4
50-60
5-6
~ 103
ЭЛ; 100-150 нс; 413 Гц
Si:B; ρ=1-10 Ом·см
4-150
37
8,1
0,03 (4К)
Nd-лазер + парам. генер.;
~ 17 МВт/см2; 5 нс; 10 Гц
GaSe;
толщина 15 мм
300
3–
3540
0,1-110
2х105
1,2 Т; 1,56 мкм; 0,16 Вт; 0,1
пс; 50 МГц
n-InSb, 4х1014 см-3
300
300 900
0,3 - 1
Max у
0,5 Тгц
300
300
1
Тип лазера и условия
(3 ТГц)
3 = 2 - 1
Генераторы на ЛОВ; 1,5 – 6 кВ; непрерывный
0,5
38 -3
Рассчитанная энергетическая диаграмма активной области
ККЛ на Ga0.47In0.53As/Al0.48In0.52As с двухфононной релаксацией
[И.И.Засавицкий и др., КЭ, 54 (2013)]
1
0,3
2
3
МОС-гидридная эпитаксия
Университет в Шеффилде
n-InP(100) 2х1018 см-3
N(Si) ~ 1x1017 см-3
22 слоя 35 каскадов
4
Энергия, эВ
0,2
E6
0,1
E5
0,0
E4
E3
-0,1
E2
-0,2
0
1
2
E1
3
4
Расстояние, нм
5
6
7
Е6-Е5 = 43 мэВ
Е5-Е3 = 138 мэВ
 = 9 мкм
Е3-Е2 = 36,2 мэВ
Е2-Е1 = 35,5 мэВ
35/23/8/66/9/64/9/58/20/40/12/40/12/40/13/39/17/38/21/35/22/35 Å
39
Уширение и расщепление спектров излучения ККЛ
на GaInAs/AlInAs в квантующем магнитном поле
[И.И.Засавицкий и др., КЭ, 54 ,144(2013)]
 2k 2  2 2n 2  2k 2
 2 2n 2
1 1
E(k )  En 



 c (  )  g B

 2

 2
2m
2m Lz 2m
2m L z
2 2
B(7 T)= 30 нм B(40 T)= 13 нм ħc (15 T) > ħLO = 35 мэВ
ħc = (eħB/m*c) при m0*= 0,043m0 g = 4,5 gB/ ħc  0,1
B = 6.56 T
4
138
5.8
3
3.86
2
T2
137
136
T3
T1
1.9
1
T3
T = 10 K
139
Энергия , мэВ
Интенсивность, отн. ед.
5
T = 10 K, I = 8 A
T2
135
x5
0
0,136
0,137
0,138
T1
0
0
0,135
1
2
1
2
1
2
1
2
0,139
0,140
1
2
3
4
5
6
7
Магнитное поле, T
Энергия, эВ
 = 9 мкм
k = 1/2NL  0,5 см-1, где L = 3 мм и N  3,4
40
8
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 4 -10 мкм
3. Характеристическая температура Т0 ~ 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 4 -10 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 мВт 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.
41
Перспективы, проблемы
Дизайн лазеров еще большой и не исчерпан.
Увеличение мощности и КПД. Сейчас в среднем 1 Вт при  = 4 -10 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 гетеропары с большим Ес (нитриды, II-VI).
Ликвидация пробела 20-70 мкм. Расширение полосы остаточных лучей:
GaP/AlP (идеальное согласование) и InP/GaP (обе гетеропары 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/см2) и высокой Т0 ~ 400 К.
42
Некоторые применения
1. Спектроскопия (разрешение 10-4 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 21000 ч
для  = 4,8 мкм и 3560 ч для  = 4,6 мкм
43
Последние достижения по обнаружению следов
газов с помощью полупроводниковых лазеров
среднего ИК диапазона
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 мВт
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
Газ
λ, мкм
S, ppb
C2H6
3,36
0,74
NH3
10,4
6
NO
5,26
3
CO
4,61
3
SO2
7,24
100
CH4
7,28
13
N2O
7,28
6
H2O2
7,73
75
CH3OH
~ 4 ТГц
7х103
44
Анализ выдыхаемого воздуха (3,3 –6,7 мкм)
Быстро, в реальном масштабе времени, бесконтактно, точно, недорого -?
Молекула
Заболевание
λ (мкм)
Алканы (предельные углеводороды ряда СnH2n+2)
Рак молочной железы
3,3
Ацетон С3Н6О
Диабет
3,4
Этан С2Н6
Окислительный стресс
3,4
Отношение изотопов 13СО2/12CO2
Язва
4,3
Сульфид карбонила СОS
Работа печени; экскременты
4,8
Окись азота NO
Астма
5,2
Формальдегид СН2О
Рак молочной железы
5,7
Ацетальдегид С2Н4О
Рак легких
5,7
Аммиак NH3
Работа почек
6,0
Сероуглерод СS2
Шизофрения
6,7
45
Мощная и эффективная лазерная система на основе
ККЛ для целей обороны и безопасности
Pranalytica, C.K.N. Patel, SPIE Proc., 7325OL(2009)
На чипе при T = 293 K, CW, P = 3 Вт! λ = 4,6 мкм (15 мкмх5 мм, алмаз)
Система при T = 293 K, CW, P > 2 Вт! λ = 4,6 мкм кпд ~ 10 %
Фонарик при Т = 293 К, _∏_, Р > 100 мВт λ = 4,6 мкм; срок службы ~ 10 ч
P > 20 мВт λ = 9,6 мкм; срок службы ~ 10 ч
Герметичный монтаж ККЛ
Лазерная система 1101-46-HP-4000 (блок
питания, ТХ Пельтье и лазерная головка)
Вес = 7,3+1,9 кГ
46
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
47
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, 061103 (2009).
9. M. Razeghi et al., Appl. Phys. Lett., 98, 181102 (2011).
10. C. K. N. Patel et al., Appl. Phys. Lett., 95, 141113 (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, 141110 (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, www.alpeslasers.ch/