КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ

1. КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ А. А. Ластовкин Семинар аспирантов и студентов ИФМ РАН 2014

2. План • Принцип работы ККЛ • Современные достижения • Перестройка частоты ККЛ • Приложения ККЛ • Заключение

3. Принцип действия лазеров

4. Межзонные оптические переходы зона проводимости hω=Eg+Ee+Eh валентная зона ток

5. 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

6. 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 волноводс обкладками из Al0.48In0.52As, w = 12 мкм, L  700 мкмГ = 0.46, n = 3.26, R = 0.27 E ~ 105В/см ПримерККЛ на основе AIII BV

7. Различные дизайны активной области

8. Степень диагональности дизайна 0% диагонализации 30% диагонализации

9. Гетеросистемы InGaAs/AlInAs первый лазер, 4,2 мкм λ от 3,5 до 24 мкм (86-12 ТГц) Область остаточных лучей Рассеяние на свободных носителях ТГц диапазон ИК диапазон КЯ мкм GaAs/AlGaAs λ от 750 до 60 мкм (0.4-5 ТГц) InGaAs/AlAsSb λ=3 мкм (100 ТГц) depth_QW=1.6 eV Si/SiGe InAs/AlSb λ= <2.5 мкм(>120 ТГц, 0,5 eV) depth_QW=2.1 eV теоретическая проработка40 мкм (7ТГц) Semicond. Sci. Technol. 19 (2004) R75–R108 Optics & Laser Technology, Volume 57, April 2014, Pages 104–109

10. Частотный диапазон

11. Волноводы

12. Резонатор Фабри-Перо α g gth ω FaistJ. , Capasso F. и др., Science 264, 553 (1994)

13. Изменение модового состава ККЛ Напряжение g ω

14. Изменение модового состава ККЛ Напряжение

15. Изменение модового состава ККЛ Температура

16. Изменение модового состава ККЛ Температура

17. Перестройка частоты одномодового ККЛ

18. Лазеры с РОС

19. Wire – ТГц ККЛ

20. Wire – ТГц ККЛ 3,6 %

21. Частота vsT ∆=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

22. Перестройка в течение импульса излучения

23. 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

24. Частота vsU В Я Алешкин «Современная физика поупроводников»

25. Частота vsU

26. Приложения ККЛ QCLs 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, ракаetc • 23 ÷ 37 THz, 60 ÷ 100 THz – atmospheric windows ► Оптическая связь (через туман, дождь, дым – благодаря длинным волнам) ► Круиз-контроль в автомобилях, противостолкновительные радары

27. Дальний ИК диапазон (ТГц диапазон) 1 ÷6THz • 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.

28. Основные тезисы • ККЛ – компактный полупроводниковый лазер с токовой накачкой. • Излучение фотонов на межподзонных переходах. • 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 и плазменный (для ТГц диапазона), диэлектрический (для среднего ИК). • Частота излучения лазера определяется модами резонатора (Фабри-Перро) • Частоту лазера можно перестраивать варьируя • за счёт изменения питающего напряжения, температуры, а также механическим способом, изменяя размеры области поля с помощью плунжеров.

29. Спасибо за внимание!