Инженерная школа новых производственных технологий

Направление подготовки 12.03.02 «Оптотехника»

Отделение материаловедения

Курсовая работа по дисциплине «Приборы квантовой электроники»

Тема работы

Квантово-каскадные лазеры

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
4В11

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент ОМ	Зыков И.Ю.	к.ф-м.н.

Томск – 2024 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..….3

1. Определение квантово-каскадного лазера, принцип работы, классификация и основные свойства……………………………………………………………………4

2. Спектральные диапазоны ККЛ…………………………………………………...9

3. Основные конструкции квантово-каскадных лазеров…………………………11

4. Исследования в области ККЛ

   1. Мощные квантово-каскадные лазеры с длинной волны генерации 8μm [2]………………………………………………………………………………….14

   2. Исследование пространственных характеристик излучения квантовых каскадных лазеров для спектрального диапазона 8 µm [3]……………………19

   3. Двухчастотная генерация в квантово-каскадных лазерах спектрального диапазона 8 µm [4]……………………………………………………………….24

   4. Генерация частотных гребенок квантово-каскадными лазерами спектрального диапазона 8 µm [5]……………………………………………...28

   5. Динамика спектров квантово-каскадных лазеров, генерирующих частотные гребенки в длинноволновом инфракрасном диапазоне [6]…….…34

   6. Поверхностно-излучающий квантово-каскадный лазер с кольцевым резонатором [7]…………………………………………………….……………..39

5. Области применения квантово-каскадных лазеров……………………………44

Вывод………………………………………………………………………………..47

Списки используемых источников……………………………………………...48

Введение

Актуальность: В настоящее время интенсивно развивается новое и перспективное направление квантовой электроники – квантово-каскадные лазеры (ККЛ). Их уникальные свойства нашли целый ряд применений в современной науке и технике. В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть исследования связанные с ККЛ, возможности ККЛ и их применение.

Целью работы является описание современного уровня разработки квантово-каскадных лазеров (ККЛ), их характеристик и возможностей, а также ознакомление с исследованиями в области ККЛ. Исследовать перспективы дальнейшего развития данного типа лазеров.

1. Определение квантово-каскадного лазера, принцип работы, классификация и основные параметры

Квантово-каскадный лазер, униполярный полупроводниковый лазер, в котором генерация излучения возникает в процессе последовательного туннелирования электронов из одной ячейки многослойной полупроводниковой структуры в соседнюю с одновременным испусканием кванта света. Идею такого лазера впервые сформулировали российские физики Р. Ф. Казаринов и Р. А. Сурис в 1971 г. Квантовый каскадный лазер успешно реализован в 1994 г. группой исследователей во главе с Ф. Капассо (США).

Многослойная полупроводниковая структура квантового каскадного лазера представляет собой полупроводниковую сверхрешётку – последовательность квантовых ям, разделённых потенциальными барьерами. Особенность квантового каскадного лазера состоит в том, что длина волны испускаемого ими излучения определяется не шириной запрещённой зоны в активной области, как в обычном инжекционном лазере, а геометрическими параметрами сверхрешёток – толщиной потенциальных барьеров и шириной квантовых ям. Это определяет диапазон генерируемого излучения – от среднего и дальнего инфракрасного до терагерцевого. Другое важное отличие квантового каскадного лазера от инжекционных лазеров – использование носителей заряда лишь одного знака – или электронов, или дырок.

Принцип работы квантового каскадного лазера состоит в следующем. При помещении сверхрешётки в электрическое поле начинается туннелирование электронов из одной квантовой ямы в соседнюю (рис. 1). Электрон, находящийся на нижнем энергетическом уровне 1 квантовой ямы с номером

, туннелирует на возбуждённый уровень 2 квантовой ямы с номером

и испускает квант света – фотон. Если темп термической релаксации электрона с уровня 2 на уровень 1 каждой квантовой ямы превосходит темп туннельных переходов между ямами, то населённость нижних уровней 1 во всех квантовых ямах превосходит населённость уровней 2. В таком случае вероятность указанного выше процесса превосходит вероятность обратного процесса – туннелирования из состояния 2 ямы в состояние 1 ямы с поглощением фотона. Таким образом, возникает инверсия населённостей между состояниями и и появляется возможность генерации излучения с энергией фотона , равной превышению энергии основного уровня 1 ямы

над энергией возбуждённого уровня 2 ямы . В условиях генерации излучения движение каждого электрона представляет собой каскад переходов между соседними ямами, сопровождающихся стимулированным испусканием фотонов.

Рисунок 1 - Принцип работы квантово-каскадного лазера

Возможна и другая схема переходов (рис. 2). Если в каждой квантовой яме существуют три уровня энергии, то при резонансе между уровнем 1 квантовой ямы и уровнем 3 ямы и быстрой релаксации электронов с уровня 2 на уровень 1 каждой квантовой ямы возникает инверсия населённостей между уровнями 3 и 2 во всех квантовых ямах. Тогда становится возможной генерация света с энергией фотона , равной разности энергий между уровнями 3 и 2. Реальные структуры для квантового каскадного лазера намного сложнее, чем представленные на рисунках 1 и 2.

Рисунок 2 - Принцип работы квантово-каскадного лазера в случае если в каждой квантовой яме существует 3 уровня энергии

Классификация ККЛ основана на их различии по типу соединения, по типу сверхрешетки и по типу активной области.

По типу соединения различают ККЛ на основе AlInAs/GaInAs, GaAs/AlGaAs, InAs/AlSb, Si/SiGe, InGaAs/InGaP, InGaAs/AlAs.

По типу сверхрешеток различают структуры ККЛ с плавно меняющимся периодом, с двойным оптическим резонансом, на переходах уровень – минизона.

По типу активной области (легированной или нелегированной) различают структуры с одной квантовой ямой (КЯ), с двумя КЯ, с тремя КЯ.

Рабочая температура ККЛ значительно превышает комнатную – доходит до 400 К, а характеристическая температура может достигать 500 К. Особенно большую мощность излучения ККЛ генерируют в области спектра 4–5 мкм: до 5 Вт в непрерывном и 120 Вт в импульсном режиме при 300 К. Для одномодовых ККЛ типичная мощность излучения составляет около 0,1 Вт, хотя в отельных случаях может быть на порядок выше.

К.п.д. «от розетки» ККЛ с большим числом каскадов при низких температурах может превышать 50%. Основные параметры типичных ККЛ риведены в таблице 1, внешний вид активной среды ККЛ показан на рис. 3 (а), на рис. 3 (б) – структура ККЛ. Внешний вид типичных ККЛ – на рис. 3 (в - е).

б

в

а

е

д

г

Рисунок 3 - (а) - Активная среда ККЛ, (б) - Структура ККЛ, (в) - Внешний вид ККЛ фирмы Frankfurt Laser Company, (г) - Внешний вид ККЛ фирмы Азимут Фотоникс, (д) - Внешний вид ККЛ фирмы Hamamatsu, (е) - Внешний вид ККЛ фирмы Wlaser. Co.

Т аблица 1. Основные параметры типичных ККЛ