Литература

10. Квантово-каскадные лазеры. Принцип работы. Типы Применение.

Сегодня, в использовании лазеров нет ничего особенно захватывающего. DVD плееры, лазерные указки, сканнеры для штрихкодов - все используют лазеры, сделанные из полупроводниковых материалов ¹. Ситуация была иной в 1962 году, когда существовали только дорогие лазеры, принцип действия которых основывался на атомных газах. Всё же, в том году, Роберт Холл из Дженерал Электрик реализовал первый электрически управляемый твердотельный лазер, основанный на полупроводнике-арсениде галлия, следом, меньше чем через месяц, похожие открытия сделала команда, возглавляемая Маршаллом Натаном, Бенджамином Лаксом и Ником Полоняком. Несмотря на это, с высокими порогами чувствительности лазеров и низкой эффективностью лазерной генерации даже при криогенной температуре, перспективы для практического использования представлялись неопределёнными.

В следующем году, Герберт Кроемер, так же как Жорес Алферов и Руди Казаринов из Физико-Технического Института имени А.Ф. Иоффе РАН независимо от друг друга сделали придумали необычную концепцию: лазеры на двойной гетероструктуре.

Вместо использования большого по объёму полупроводника, они предложили слоистую структуру из полупроводниковой плёнки с меньшей шириной запрещённой зоны² зажатой между слоёв полупроводниковой плёнки с большей шириной запрещённой зоны. Большой разрыв с соседними слоями приводит к эффективному удержанию носителей в центральном слое, что увеличивало производительность лазеров.

Это было время холодной войны, исследовательские группы как на Западе, так и на Востоке начали гонку на изготовление полупроводникового лазера, работающего при комнатной температуре. Эта важная веха в развитии лазеров в конечном счёте была достигнута в 1970 году, когда группы сначала от Физико-Технического Института имени А.Ф. Иоффе РАН и затем от Лабораторий Белла реализовали непрерывное излучение когерентного³ (согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении) света при комнатной температуре с помощью арсенида галлия зажатого между алюминиевым арсенидом галлия.

Эти и последующие успехи не были бы возможны без параллельного движения к системе тонких плёнок в конце 1960-х. Особое значение имели получение металлоорганического осадка из химических паров в работе Гарольда Манасевит из Северной Американской Авиационной компании, и молекулярно-лучевой эпитаксии ⁴, впервые использованной Альфредом Чу и Джоном Артуром в Лабораториях Белла. Несмотря на такие достижения в производстве, первый синий полупроводниковый лазер (с нитридом галлия) был реализован лишь в 1996 году Сюдзи Накамура.

Кроме того, стали возможны более сложные лазерные конструкции. Пример – поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором⁵. Тем не менее, венцом этих усилий является квантово-каскадный лазер, разработанный Федерико Капассо и его коллегами из Лабораторий Белла в 1994 году.

1.История создания

Квантово-каскадный лазер (ККЛ) коренным образом отличается от диодных лазеров. Он основан только на одном типе носителя (однополярный полупроводниковый лазер) и на электронных переходах между состояниями зоны проводимости, связанных с размером квантования в полупроводниковых гетероструктурах.

Стремление к созданию такого лазера имеет 25-летнюю историю, начавшуюся с предложения, выдвинутого Казариновым и Сириусом «Возможности усиления электромагнитных волн в полупроводниках со сверхрешеткой»(1971 год), вскоре после плодовитой работы Есаки и Цу на сверхрешетках. Тем не менее о экспериментальных реализациях не сообщалось.

В 1994 мир увидел квантовые каскадные лазеры (ККЛ) Bell Labs, продемонстрированые Федериком Капассо и др., способные излучать сразу на нескольких длинах волн, разделенных промежутками. ККЛ производились методом молекулярной эпитаксии. Изменение толщины определенного слоя ККЛ меняло длины волн излучения. В этом же году в Институте им. А.Ф.Иоффе показали работу лазера на квантовой точке.

До 2002 года, когда работа непрерывной волны при комнатной температуре была достигнута, ККЛ были ограничены низким рабочим циклом работы в импульсном режиме при комнатной температуре. Тем не менее, даже когда устройство улучшилось, большинство лазеров оказались с очень низкой (<1%) эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую , известной как КПД лазера (эффективность). Низкий КПД ограничил использование ККЛ в приложениях, таких как портативные датчики и инфракрасные контрмеры, где потребление энергии лазера является основным препятствием. Для использования приложений КПД эффективности считался желательным улучшением.

В 2007 году команда исследователей из Принстонского университета сумела спроектировать совершенно новый тип лазера. Открытие позволит наладить серийное производство более эффективных лазеров. Практическое применение они получат, прежде всего, в сфере лазерной хирургии и диагностики. Один из способов получить лазерный луч - пропустить электроток через специфический вид полупроводника. В результате электроны внутри полупроводника «перескакивают» на более высокий уровень энергии, а потом, при определенных условиях, «спрыгивают» обратно. «Излишек» энергии «убегает» в окружающее пространство в виде когерентного потока фотонов, то есть световых волн одинаковой длины. По такому принципу работают все виды устройств для чтения лазерных дисков, лазерные указки и еще масса видов бытовой техники.

Каскадный же лазер, изобретенный в Принстоне, совсем крошечный. Он был сконструирован при помощи нанотехнологий и вдесятеро тоньше человеческого волоса. Длина устройства - три миллиметра. При этом материал, из которого выполнено устройство, состоит из десятков слоев различных полупроводящих материалов. Каждый слой - толщиной всего в несколько атомов. По мере того, как «раскрученные» электроны теряют энергию, они «прыгают» с одной ступеньки-слоя на другую, при каждом сдвиге порождая световые волны единой длины.