Квантовый каскадный лазер

Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) - это полупроводниковые лазеры, которые излучают в средней и дальней инфракрасной части электромагнитного спектра и были впервые продемонстрированы Джеромом Фейстом, Федерико Капассо , Деборой Сивко, Карло Сиртори, Альбертом Хатчинсоном и Альфредом Чо в Bell Laboratories. в 1994 году. ^[1]

В отличие от типичных межзонных полупроводниковых лазеров, которые излучают электромагнитное излучение за счет рекомбинации электронно-дырочных пар через запрещенную зону материала , ККЛ являются униполярными, а лазерное излучение достигается за счет использования межподзонных переходов в повторяющейся стопке полупроводниковых гетероструктур с множественными квантовыми ямами , идея впервые было предложено в работе Р.Ф. Казаринова и Р.А. Суриса в 1971 г. «Возможность усиления электромагнитных волн в полупроводнике со сверхрешеткой » ^[2].

Межподзонные и межзонные переходы [ править ]

Межзонные переходы в обычных полупроводниковых лазерах излучают одиночный фотон.

Внутри объемного кристалла полупроводника электроны могут занимать состояния в одной из двух непрерывных энергетических зон - валентной зоне , которая сильно заселена электронами с низкой энергией, и зоне проводимости , которая редко населена электронами с высокой энергией. Две энергетические зоны разделены запрещенной зоной, в которой нет разрешенных состояний, доступных для размещения электронов. Обычные полупроводниковые лазерные диоды генерируют свет за счет излучения одного фотона , когда электрон высокой энергии в зоне проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной зоне. Таким образом, энергия фотона и, следовательно, длина волны излучения лазерных диодов определяется шириной запрещенной зоны используемой системы материалов.

Однако QCL не использует объемные полупроводниковые материалы в своей оптически активной области. Вместо этого он состоит из периодической серии тонких слоев различного материального состава, образующих сверхрешетку . Сверхрешетка создает переменный электрический потенциал по длине устройства, а это означает, что существует различная вероятность того, что электроны занимают разные позиции по длине устройства. Это называется одномерным ограничением множественных квантовых ям и приводит к разделению полосы разрешенных энергий на несколько дискретных электронных подзон. За счет подходящего расчета толщины слоя можно спроектироватьинверсия населенности между двумя подзонами в системе, необходимая для достижения лазерного излучения. Поскольку положение энергетических уровней в системе в первую очередь определяется толщиной слоя, а не материалом, можно настроить длину волны излучения ККЛ в широком диапазоне в той же системе материалов.

Кроме того, в полупроводниковых лазерных диодах электроны и дырки аннигилируют после рекомбинации через запрещенную зону и больше не могут играть роль в генерации фотонов. Однако в униполярном ККЛ, как только электрон претерпел межподзонный переход и испустил фотон в одном периоде сверхрешетки, он может туннелировать в следующий период структуры, где может испускаться другой фотон. Этот процесс одиночного электрона, вызывающего испускание множества фотонов при прохождении через структуру ККЛ, дает начало названию каскада и делает возможной квантовую эффективность больше единицы, что приводит к более высокой выходной мощности, чем у полупроводниковых лазерных диодов.

Принципы работы [ править ]

Оцените уравнения [ править ]

QCL обычно основаны на трехуровневой системе . ^[3] Предполагая, что формирование волновых функций является быстрым процессом по сравнению с рассеянием между состояниями, могут применяться не зависящие от времени решения уравнения Шредингера , и система может быть смоделирована с использованием скоростных уравнений. Каждая подзона содержит некоторое количество электронов (где - индекс подзоны), которые разбросаны между уровнями со временем жизни (обратным средней скорости межподзонного рассеяния ), где и - начальный и конечный индексы подзоны. Предполагая, что никакие другие поддиапазоны не заполнены, уравнения скорости для трехуровневых лазеров задаются следующим образом:${\ displaystyle n_ {i}}$${\ displaystyle i}$${\ Displaystyle \ тау _ {если}}$${\ displaystyle W_ {if}}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle f}$

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} n_ {3}} {\ mathrm {d} t}} = I _ {\ mathrm {in}} + {\ frac {n_ {1}} {\ tau _ { 13}}} + {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {23}}} - {\ frac {n_ {3}} {\ tau _ {31}}} - {\ frac {n_ {3 }} {\ tau _ {32}}}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} n_ {2}} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {n_ {3}} {\ tau _ {32}}} + {\ frac { n_ {1}} {\ tau _ {12}}} - {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {21}}} - {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {23} }}}$

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} n_{1}}{\mathrm {d} t}}={\frac {n_{2}}{\tau _{21}}}+{\frac {n_{3}}{\tau _{31}}}-{\frac {n_{1}}{\tau _{13}}}-{\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}-I_{\mathrm {out} }}$

В установившемся режиме производные по времени равны нулю и . Таким образом, общее уравнение скорости для электронов в подзоне i системы уровней N выглядит следующим образом:${\displaystyle I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I}$

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} n_{i}}{\mathrm {d} t}}=\sum \limits _{j=1}^{N}{\frac {n_{j}}{\tau _{ji}}}-n_{i}\sum \limits _{j=1}^{N}{\frac {1}{\tau _{ij}}}+I(\delta _{iN}-\delta _{i1})}$,

В предположении, что процессы поглощения можно игнорировать (т. Е. Справедливо при низких температурах), уравнение средней скорости дает${\displaystyle {\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0}$

${\displaystyle {\frac {n_{3}}{\tau _{32}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{21}}}}$

Следовательно, если (т.е. ) тогда и инверсия населенности будет существовать. Коэффициент населения определяется как${\displaystyle \tau _{32}>\tau _{21}}$${\displaystyle W_{21}>W_{32}}$${\displaystyle n_{3}>n_{2}}$

${\displaystyle {\frac {n_{3}}{n_{2}}}={\frac {\tau _{32}}{\tau _{21}}}={\frac {W_{21}}{W_{32}}}}$

Если суммировать все N стационарных уравнений скорости, правая часть становится равной нулю, что означает, что система недоопределена , и можно только найти относительную населенность каждого поддиапазона. Если общая поверхностная плотность несущих в системе также известна, то абсолютная совокупность несущих в каждом поддиапазоне может быть определена с помощью:${\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}$

${\displaystyle \sum \limits _{i=1}^{N}n_{i}=N_{\mathrm {2D} }}$.

В качестве приближения можно предположить, что все носители в системе обеспечиваются легированием . Если легирующая разновидность имеет незначительную энергию ионизации, то она приблизительно равна плотности легирования.${\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}$

Дизайн активной области [ править ]

Скорости рассеяния подбираются подходящим дизайном толщин слоев в сверхрешетке, которые определяют электронные волновые функции подзон. Скорость рассеяния между двумя поддиапазонами сильно зависит от перекрытия волновых функций и разнесения энергии между поддиапазонами. На рисунке показаны волновые функции в активной области ККЛ с тремя квантовыми ямами (3QW) и инжекторе.

Чтобы уменьшить , уменьшают перекрытие верхнего и нижнего лазерных уровней. Это часто достигается за счет такой толщины слоя, при которой верхний лазерный уровень в основном локализуется в левой лунке активной области 3QW, в то время как волновая функция нижнего лазерного уровня в основном располагается в центральной и правой лунках. . Это называется диагональным переходом. Вертикальный переход, в котором верхний лазерный уровень локализован в основном центральных и правых скважин. Это увеличивает перекрытие и, следовательно, снижает инверсию населенностей, но увеличивает силу радиационного перехода и, следовательно, усиление .${\displaystyle W_{32}}$${\displaystyle W_{32}}$

Для увеличения нижний лазерный уровень и волновые функции основного уровня спроектированы таким образом, чтобы они имели хорошее перекрытие, а для дальнейшего увеличения энергетический интервал между поддиапазонами разработан таким образом, чтобы он был равен продольному оптическому (LO) фонону. энергия (~ 36 мэВ в GaAs), так что резонансное LO-фонон-электронное рассеяние может быстро опустошить нижний лазерный уровень.${\displaystyle W_{21}}$${\displaystyle W_{21}}$

Материальные системы [ править ]

Первый ККЛ был изготовлен в системе материалов GaInAs / AlInAs, согласованной по решетке с подложкой InP . ^[1] Эта конкретная материальная система имеет смещение зоны проводимости (глубину квантовой ямы) 520 мэВ . Эти устройства на основе InP достигли очень высоких уровней производительности в среднем инфракрасном спектральном диапазоне, обеспечивая высокую мощность, превышающую комнатную температуру, непрерывное излучение волн . ^[4]

В 1998 г. ККЛ GaAs / AlGaAs были продемонстрированы Сиртори и др. доказательство того, что концепция контроля качества не ограничивается одной материальной системой. ^[5] Эта материальная система имеет разную глубину квантовой ямы в зависимости от содержания алюминия в барьерах. ^{[ необходима цитата ]} Хотя ККЛ на основе GaAs не соответствуют уровням характеристик ККЛ на основе InP в средней инфракрасной области, они оказались очень успешными в терагерцовой области спектра. ^[6]

Предел короткой длины волны ККЛ определяется глубиной квантовой ямы, и недавно ККЛ были разработаны в материальных системах с очень глубокими квантовыми ямами для достижения коротковолнового излучения. Система материалов InGaAs / AlAsSb имеет квантовые ямы глубиной 1,6 эВ и использовалась для изготовления ККЛ с излучением на 3,05 мкм. ^[7] ККЛ InAs / AlSb имеют квантовые ямы глубиной 2,1 эВ, и наблюдалась электролюминесценция на длинах волн всего 2,5 мкм. ^[8]

ККЛ могут также позволить работать лазеру в материалах, традиционно считающихся плохими оптическими свойствами. Материалы с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, имеют минимальную энергию электронов и дырок при различных значениях импульса. Для межзонных оптических переходов носители изменяют импульс посредством медленного промежуточного процесса рассеяния, что резко снижает интенсивность оптического излучения. Однако межподзонные оптические переходы не зависят от относительного импульса зоны проводимости и минимумов валентной зоны, и были сделаны теоретические предложения для квантовых каскадных излучателей Si / SiGe . ^[9]

Длины волн излучения [ править ]

В этом разделе несколько вопросов. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Фактическая точность этого раздела оспаривается . Соответствующее обсуждение можно найти в Talk: Quantum cascade laser . Пожалуйста, помогите обеспечить надежный источник спорных утверждений . ( Январь 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( Июнь 2008 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

ККЛ в настоящее время охватывают диапазон длин волн от 2,63 мкм ^[10] до 250 мкм ^[11] (и расширяются до 355 мкм с приложением магнитного поля. ^{[ Необходима цитата ]} )

Оптические волноводы [ править ]

Первым шагом в обработке материала квантового каскадного усиления для создания полезного светоизлучающего устройства является ограничение усиливающей среды в оптическом волноводе . Это позволяет направить излучаемый свет в коллимированный луч и позволяет построить резонатор лазера так , чтобы свет мог возвращаться в усиливающую среду.

Обычно используются два типа оптических волноводов. Ребристый волновод создается путем травления параллельных канавок в материале квантового каскадного усиления для создания изолированной полоски материала QC, обычно шириной ~ 10 мкм и длиной несколько мм. В канавки обычно наносится диэлектрический материал для направления инжектируемого тока в гребень, затем весь гребень обычно покрывается золотом для обеспечения электрического контакта и помощи отвода тепла от гребня, когда он излучает свет. Свет излучается из сколотых концов волновода с активной областью, которая обычно составляет всего несколько микрометров.

Второй тип волноводов - это скрытая гетероструктура . Здесь материал QC также протравливается для создания изолированного гребня. Однако сейчас новый полупроводниковый материал выращивается над гребнем. Изменение показателя преломления между материалом QC и заросшим материалом достаточно для создания волновода. На заросший материал вокруг гребня QC также наносится диэлектрический материал, чтобы направлять введенный ток в усиливающую среду QC. Волноводы со скрытой гетероструктурой эффективно отводят тепло из активной области QC при возникновении света.

Типы лазеров [ править ]

Хотя квантовую каскадную усиливающую среду можно использовать для получения некогерентного света в суперлюминесцентной конфигурации ^[12], ее чаще всего используют в сочетании с оптическим резонатором для формирования лазера.

Лазеры Фабри – Перо [ править ]

Это самый простой из квантовых каскадных лазеров. Сначала из материала квантового каскада изготавливается оптический волновод, который формирует усиливающую среду. Концы кристаллического полупроводникового прибора затем скалываются, образуя два параллельных зеркала на обоих концах волновода, таким образом образуя резонатор Фабри – Перо . Остаточная отражательная способность на сколотых гранях от границы раздела полупроводник-воздух достаточна для создания резонатора. Квантовые каскадные лазеры Фабри – Перо способны генерировать большие мощности ^[13], но обычно являются многомодовыми при более высоких рабочих токах. Длину волны можно изменить, главным образом, путем изменения температуры устройства контроля качества.

Лазеры с распределенной обратной связью [ править ]

Распределенная обратная связь (РОС) квантово-каскадный лазер ^[14] похож на лазер Фабри-Перо, за исключением распределенного брэгговского отражателя (РБО) , построенный на верхней части волновода , чтобы предотвратить его излучающий на другом , чем требуемую длину волны. Это вызывает одномодовый режим работы лазера даже при более высоких рабочих токах. Лазеры РОС могут быть настроены в основном путем изменения температуры, хотя интересный вариант настройки может быть получен путем импульсного воздействия на лазер РОС. В этом режиме длина волны лазера быстро « чирпируется » в течение импульса, что позволяет быстро сканировать спектральную область. ^[15]

Лазеры с внешним резонатором [ править ]

В квантово-каскадном лазере с внешним резонатором (EC) квантовое каскадное устройство служит в качестве среды усиления лазера. Одна или обе грани волновода имеют просветляющее покрытие, которое препятствует действию оптического резонатора сколотых граней. Затем зеркала размещаются во внешней конфигурации устройства контроля качества для создания оптического резонатора.

Если во внешний резонатор включен частотно-селективный элемент, можно уменьшить излучение лазера до одной длины волны и даже настроить излучение. Так , например, дифракционные решетки были использованы для создания ^[16] с перестраиваемым лазером , который может настроить более чем на 15% от его центральной длины волны.

Расширенная настройка устройств [ править ]

Существует несколько методов расширения диапазона перестройки квантовых каскадных лазеров с использованием только монолитно интегрированных элементов. Интегрированные нагреватели могут расширить диапазон настройки при фиксированной рабочей температуре до 0,7% от центральной длины волны ^[17], а решетки сверхструктуры, работающие за счет эффекта Вернье, могут расширить его до 4% от центральной длины волны ^[18] по сравнению с <0,1% для стандартное устройство DFB.

Рост [ править ]

Чередующиеся слои двух разных полупроводников, которые образуют квантовую гетероструктуру, могут быть выращены на подложке с использованием различных методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений (MOVPE), также известная как химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений ( MOCVD).

Приложения [ править ]

Фабри-Перо (FP) квантовый каскадные лазеры были внедрены в промышленное производство в 1998 году, ^[19] Устройства распределенной обратной связью (DFB) были внедрены в промышленное производство в 2004 году, ^[20] и широко-перестраиваемых внешнего резонатора квантово-каскадный лазер первой коммерциализации в 2006 году ^[21] Высокая выходная оптическая мощность, диапазон настройки и работа при комнатной температуре делают ККЛ полезными для спектроскопических приложений, таких как дистанционное зондирование газов окружающей среды и загрязняющих веществ в атмосфере ^[22] и безопасность. Со временем они могут быть использованы для круиз-контроля на автомобиле в условиях плохой видимости , ^{[ цитата необходима ]}радар предотвращения столкновений , ^{[ необходима цитата ]} управление производственными процессами, ^{[ необходима цитата ]} и медицинская диагностика, такая как анализаторы дыхания. ^[23] ККЛ также используются для изучения химии плазмы. ^[24]

При использовании в системах с несколькими лазерами внутриимпульсная ККЛ-спектроскопия предлагает широкополосный спектральный охват, который потенциально может использоваться для идентификации и количественного определения сложных тяжелых молекул, таких как молекулы токсичных химикатов, взрывчатых веществ и лекарств. ^{[ требуется разъяснение ] [25]}

В художественной литературе [ править ]

В видеоигре Star Citizen квантовые каскадные лазеры с внешним резонатором рассматриваются как мощное оружие. ^[26]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Сводка Bell Labs
• Optipedia: квантово-каскадный лазер