КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ

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