КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Семинар аспирантов и студентовИФМ РАН

2014

А. А. Ластовкин

План

• Принцип работы ККЛ • Современные достижения• Перестройка частоты ККЛ• Приложения ККЛ• Заключение

2

Принцип действия лазеров

3

ток

Межзонные оптические переходы

зона проводимости

валентная зона

hω=Eg+Ee+Eh

4

зона проводимости

Межподзонные оптические переходы

hω=E2-E1

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, 19965

Первый ККЛПервый ККЛ ( ( = = 71 71 ТГц, ТГц, P P = 8 мВт, Т= 8 мВт, Тмаксмакс = 90 К = 90 К))J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994)(1994)

ПримерПример ККЛ на основе ККЛ на основе AAIIIIII B BVVE ~ 105 В/см

Диэлектрический волноводс обкладками из Al0.48In0.52As, w = 12 мкм, L 700 мкмГ = 0.46, n = 3.26, R = 0.27

6

Различные дизайны активной области

в

а

б д

е

г

ж 7

Степень диагональности дизайна

0% диагонализации 30% диагонализации

8

Гетеросистемы

GaAs/AlGaAsλ от 750 до 60 мкм(0.4-5 ТГц)

InGaAs/AlAsSbλ=3 мкм (100 ТГц)depth_QW=1.6 eV

InAs/AlSbλ= <2.5 мкм (>120 ТГц, 0,5 eV)depth_QW=2.1 eV

Si/SiGeтеоретическая проработка 40 мкм (7 ТГц)Semicond. Sci. Technol. 19 (2004) R75–R108

Optics & Laser Technology, Volume 57, April 2014, Pages 104–109

первый лазер, 4,2 мкмλ от 3,5 до 24 мкм(86-12 ТГц)

InGaAs/AlInAs

мкм

ТГц диапазонИК диапазон Область остаточных

лучей

Область остаточных

лучей

Рассеяние на

свободных носителях

Рассеяние на

свободных носителях

КЯКЯ

9

Частотный диапазон

10

Волноводы

11

Резонатор Фабри-Перо

Faist J. , Capasso F. и др., Science 264, 553 (1994)

ω

α

12

Изменение модового состава ККЛ Напряжение

ω13

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

D. Rabanus, U. U. Graf,February 2009 / Vol. 17, No. 3/ OPTICS EXPRESS

L. Betz and R. T. Boreiko,July 15, 2005 / Vol. 30,No. 14 / OPTICS LETTERS

∆=5 ГГц

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 ККЛПриложения ККЛ

2323 ÷ ÷ 8585 THz – fingerprint region of trace gases (NH THz – fingerprint region of trace gases (NH44, CO, N, CO, N22O, …)O, …) ► ► Датчики контроля загрязнения окружающей средыДатчики контроля загрязнения окружающей среды ► ► Контроль технологических процессов в промышленностиКонтроль технологических процессов в промышленности ► ► МедицинаМедицина: : анализ выдохаанализ выдоха, , ранняя диагностика язвыранняя диагностика язвы, , ракарака etcetc

23 ÷ 37 THz, 60 ÷ 100 THz – atmospheric windows23 ÷ 37 THz, 60 ÷ 100 THz – atmospheric windows ► ► Оптическая связьОптическая связь ( (через туман, дождь, дым – благодаря через туман, дождь, дым – благодаря

длинным волнам)длинным волнам) ► ► Круиз-контроль в автомобиляхКруиз-контроль в автомобилях, , противостолкновительные противостолкновительные радарырадары

QCLs

2120THz

8500meV,

1502.5m,

f,

Средний ИК диапазон

26

1 ÷ 1 ÷ 66 THz 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.

Дальний ИК диапазон (ТГц диапазон)

27

Основные тезисы1. 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 (Фабри-Перро)

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