2.Принцип работы

Квантово-каскадный лазер построен из квантовых полупроводниковых структур, выращенных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и образующие сверхрешётку. Сверхрешетка – это периодическая структура, состоящая из двух и более материалов. Как правило, толщина одного слоя составляет несколько нанометров. Сверхрешетки были обнаружены в начале 20 века при исследовании рентгеновских дифракционных картин. Сверхрешетка   создает варьирующийся вдоль структуры электрический потенциал, а это означает, что различаются вероятности нахождения электронов, в различных позициях по всей длине сверхрешетки. Такая структура называется одномерной квантовой ямой и приводит к расщеплению полосы разрешенных энергий на ряд дискретных электронных подзон. По подходящему значению толщины слоя можно спроектировать инверсные населенности двух подзон в системе, которая необходима для получения лазерного излучения. Так как положение энергетических уровней в системе в первую очередь определяется толщиной слоя, а не составом материала, то в ККЛ можно настроить длину волны излучения в широком диапазоне в той же структуре. В квантово-каскадных лазерах длина волны, полностью определяемая квантовым запиранием⁶, может быть настроена с середины инфракрасного спектра до субмиллиметровой области длины волны в гетероструктуре того же материала.

Электроны последовательно спускаются по потенциальной лестнице и излучают фотоны на ступеньках.

1.Обычный полупроводниковый лазер, 2.Однополярный ККЛ, излучение в котором

который излучает электромагнитные возникает при переходе электронов между

волны посредством рекомбинации слоями гетероструктуры полупроводника

электронно-дырочных пар через внутри одной зоны

запрещённую зону полупроводника

Ступеньки состоят из связанных квантовых ям, в которых инверсная населённость⁷ между отдельными группами проводящих возбуждённых состояний достигается за счёт контроля туннелирования⁸.

Схематическое представление дисперсии

n= 1,2,3 состояний. Квазиэнергия Ферми соответствует инверсной населённости в начале. К – соответствующее излучению волновое число. Волнистые стрелки – излучательный переход 3-2. Прямые стрелки представляют релаксационные процессы с почти нулевым импульсом между 1 и 2 подзонами.

Принцип работы ККЛ основан на переходах между энергетическими зонами, в которых электроны проводимости и дырки⁹ валентной зоны, инжектированные в активный слой с помощью прямо направленного p-n перехода, рекомбинируют через запрещённую зону. Ширина запрещённой зоны однозначно определяет длину волны излучения. Кроме того, поскольку инверсная населённость широко распространенна, между полос дисперсии¹⁰ с противоположной кривизной результирующий спектр получается относительно широким.

В полупроводниковых лазерных диодах, электроны и дырки уничтожаются после рекомбинации через запрещенную зону и не могут участвовать в дальнейшей генерации фотонов. Напротив, в однополярном ККЛ, когда электрон прошел межподзонный переход и испускается один  фотон при прохождении одного периода сверхрешетки, электрон может туннелировать в следующий период структуры, где может излучиться другой фотон.  Этот процесс, при котором происходит излучение нескольких фотонов при прохождении одного электрона  через ККЛ, дает название «каскадный процесс». Значение квантовой эффективности такого процесса больше единицы, что приводит к повышению выходной мощности.