Квантовые каскадные лазеры

КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ
ЛАЗЕРЫ
Ластовкин АА
Лазер на двойной гетероструктуре:
МЕЖЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ
ЭЛЕКТРОНЫ
ЗОНА
ПРОВОДИМОСТИ
ТОК
КВАНТОВАЯ ЯМА
ИНВЕРСИЯ
НАСЕЛЕННОСТИ
ЭНЕРГИЯ ФОТОНА
= EG + EQ E + EQ H
МЕЖЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ
ФОТОН
ДЫРКИ
-V
ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА
ТОК
Электрон-дырочная
пара
рождаетp один
n
p
фотон
DHL – биполярный прибор
2
Квантовый каскадный лазер:
межподзонные переходы
Исходная концепция: Р.Ф.Казаринов, Р.А.Сурис, ФТП, т.5, с.797
(1971)
энергия фотона
фотон
Туннелирование с
участием фотона
Релаксация
2
1
t relax
t tunn
QW
n
-V
Туннелирование
Испускание фотона
Релаксация
энергия
фотона
3
Зона проводимости
QW
n+1
Квантовая яма
2
1
QW
n
QW
n+1
Многослойная
QCL - униполярный
прибор
полупроводниковая
периодическая гетероструктура
3
AIIIBV (MBE или MOCVD)
Преимущества ККЛ
Photon
Photon
3
2
1
• 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 перестраивается 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
4
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
5
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
радары
6
Дальний ИК диапазон (ТГц 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)
THz QCL
ТГц
Поглощение
на свободных
носителях
•
1 ТГц
6 ТГц
Область остаточных
Лучей GaAs
S.W. Smye, J.M. Chamberlain, A.J. Fitzgerald and E. Berry // Phys. Med. Biol. – 2001. – Vol.46. – P.R101-R112.
7
Волноводы
Дальний ИК
1 ТГц
Средний ИК
6 ТГц
9 ТГц
120 ТГц
ТГц
1. Диэлектрические
волноводы
2. SL-SP
Двойной
металлический
волновод
Поглощение
на свободных
носителях
Область остаточных
Лучей GaAs
SI-SP – semi-insulating
surface-plasmon
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 2009
11
Линзы
34 – spacer
36 – lens
38 – retaining clip
Qing Hu, Alan W. Min Lee, Sushil Kumar,
OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 19 / October 1, 2007
12
Линзы
Frequency 4.1 THz
Qing Hu, Alan W. Min Lee, Sushil Kumar,
OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 19 / October 1, 2007
13
ККЛ в ИФМ РАН
Фото ТГц ККЛ фирмы TRION (г.Темпе, Аризона); L ~ 1.5 мм,
14
w ~ 100 мкм. Ю.Г.Садофьев
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
Ластовкин А.А.
20
ЦР в квантовых ямах HgCdTe
3,85
dark
IR LED (10 A)
IR LED (100 A)
IR LED (10 A)
mc= 0.0034m0
S = (2πeB/ħc)(n + γ)
1225
xb=0.69
0,020
3,75
xQW=0.129
Energy,eV
3,70
3,65
0-1
3,60
mc= 0.0074m0
3,55
3,50
dQW= 300A
0,015
0,010
0 - 1 (=1/2)
1 - 2 (=1/2)
0 - 1 (graphene)
1 - 2 (graphene)
0,005
2,61 ТГц
1-2
0,000
3,45
10
15
0
20
2000
25
4000
6000
B, G
4,0
B = 0.95 T (091225)
B = 0 T (091225-1)
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
GaAs Reststrahlen
B, kG
TO CdTe-like
5
TO HgTe-like
0
Photoconductivity, arb. un.
Пропускание, отн. ед.
3,80
0,025
1,0
0,5
0,0
50
100
150
200
250
-1
Wavenumber, cm
300
8000
10000
Основные тезисы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
ККЛ – униполярный прибор.
Излучение фотонов при межподзонные переходах.
Частота излучения лазера зависит от толщин слоев и от смещения.
Один электрон, проходя через каскадную структуру, рождает много
фотонов
ККЛ излучают в среднем ИК и в дальнем ИК (терагерцовом) диапазонах,
но между ними существует область остаточных лучей в которой лазеры
не работают.
Используются три типа волноводов: двойной металический (для дальнего
ИК), диэлектрический и плазменный (для среднего ИК).
Частота излучения лазера определяется модами резонатора ФабриПерро.
Частоту лазера можно перестраивать варьируя питающее напряжение,
температуру, а также создавая механические напряжения в структуре.
Основное приложение ККЛ в нашем институте – спектроскопия
узкозонных полупроводниковых наноструктур.
22
Интенсивность, у.е.
Перестройка частоты за время импульса
лазерного излучения
mc

2neff L
Импульс тока
t
Интенсивность, у.е.
Импульс излучения
A. L. Betz, R. T. Boreiko, B. S. Williams, S.
Kumar, Q. Hu, J. L. Reno, Optics Letters 30,
1837 (2005).
ω
23
Недостатки простых
схем ККЛ
Для 3-уровневой схемы
Для 2-уровневой схемы: главная проблема – электрическая неустойчивость
2
1
t tunn
3
2
1
Для создания инверсии
необходимо:
I
Рабочая точка
I
t3 2
II
V
relax
t2 1
relax
t2 1 < ttunn <t3 2
Первый пик на ВАХ возникает из-за
блоховских осцилляций электронов
Второй пик возникает из-за рассогласования
1-го и 2-го уровней
Инверсия населенностей достигается в
электрически неустойчивой точке, где
дифференциальное сопротивление
отрицательно.
24
Ширина спектральной линии для импульсов
различной длительности
~ 600 MHz
25
g(ω)
0
Интенсивность, у.е.
3
ω, THz
Импульс тока
26
t
Зависимость частоты излучения от
приложенного напряжения
4 квантовые ямы в
активной области
1 f
5 1
 1,65 10
f U
В
27
Спектры излучения лазера с тремя
квантовыми ямами в активной области
U=17В
U=16,5 В
Signal power, arb. un.
2,5
T=8K
2,0
1,5
t=1мкс скважность 100
FWHM=0,019 см
-1
FWHM=0,020 см
-1
FWHM=0,011 см
-1
FWHM=0,010 см
-1
1,0
0,5
0,0
106,8
107,0
107,2
107,4
Wavenumber, cm
-1
107,6
28
29
ККЛ в Нижнем Новгороде:
Ю.Г.Садофьев
30