Применение квантово-каскадных лазеров
Благодаря небольшому размеру, низкому энергопотреблению и расширенной функциональности по сравнению с традиционными полупроводниковыми лазерами, квантово-каскадные лазеры все чаще используются в нескольких областях применения, включая:
Промышленный контроль (онлайн-измерение газа). Высокая мощность излучения квантово-каскадных лазеров обеспечивает значительную длину оптического пути, что необходимо для мониторинга крупных внутренних и наружных объектов, таких как транспортные терминалы, химические заводы, нефтеперерабатывающие заводы и военные базы. Для анализа сложных молекул газа, которые поглощают в более широком диапазоне спектра, в настоящее время введены в коммерческий оборот терагерцовые квантово-каскадные лазеры, диапазон которых составляет от 100 до 150 мкм, что обеспечивает большую точность измерений, чем при использовании текущих технологий.
Оборона и безопасность. Основным видом применения квантово-каскадных лазеров в сфере обороны является противоракетная оборона вертолетов или самолетов, а именно средства инфракрасного противодействия, в которых мощные квантово-каскадные лазеры с диапазоном 4 мкм используются для противодействия ракетам с инфракрасной головкой самонаведения.
Мониторинг окружающей среды. Повышенное содержание загрязняющих веществ (оксидов азота (NOx), монооксида углерода (CO), аммиака (NH3), летучих органических веществ (VOC) и т.д.), в атмосфере Земли, выброс которых возникает в результате использования транспорта, промышленности и сельского хозяйства, может приводить к возникновению болезней, аллергии, а иногда и к смерти. Доступны компактные (портативные) и точные приборы, принципом работы которых является лазерная абсорбционная спектроскопия. Эти приборы можно использовать для обнаружения содержания нескольких газов в режиме реального времени (оксида серы SO2, монооксида углерода (CO), диоксида углерода (CO2), аммиака (NH3), летучих органических веществ (VOC), оксидов азота (NOx), метана (CH4) и т.д.
Здравоохранение. Системы со встроенными квантово-каскадными лазерами также можно применять в расширяющейся области медицинской диагностики в силу обнаружения резких и сильных пиков поглощения в диапазоне 3-12 мкм из-за возникновения в этом диапазоне основных частот колебаний различных молекул биологических тканей. Соответственно, исследование биологической ткани может быть проведено путем анализа спектра поглощения, образованного этими молекулами (так называемого «спектра отпечатков пальцев»), что позволяет определить составляющие молекулы и проанализировать их состав. Например, газовые примеси, присутствующие в выдыхаемом пациентом воздухе, могут указывать на диабет, астму и другие заболевания дыхательных путей, дисфункцию почек и печени, а также на иные заболевания.
Транспорт. Измерение уровней оксида азота в выбросах от транспорта приобретает все большую важность, поскольку транспорт является одним из основных источников выбросов парниковых газов. Преимуществом квантово-каскадных лазеров является очень узкая полоса пропускания, при которой может быть достигнута достаточно высокая селективность по отношению к компоненту измерения. В настоящее время доступны газоанализаторы со встроенным квантово-каскадным лазером для прямого одновременного измерения в режиме реального времени четырех соответствующих азотсодержащих компонентов выхлопных газов (оксида азота(II) (NO), оксида азота(IV) (NO2), оксида азота (I) (N2O) и аммиака (NH3) с высокой селективностью и чувствительностью и без перекрестных помех.
В настоящее время разработка ККЛ ведется по следующим основным
направлениям:
– исследование физики внутризонных переходов в униполярных ККЛ на сверхрешетках;
– получение генерации на резонансной частоте в полупроводниковых квантоворазмерных гетероструктурах, излучающих одновременно две длины волны;
– исследование междузонной генерации в узкозонных гетероструктурах и физики биполярных структур ККЛ на сверхрешетках.
Важнейшие результаты разработки ККЛ :
– изменение рабочей длины волны в широкой области спектра 2,7–24 мкм и 60–300 мкм;
– разработаны одномодовые с распределенной обратной связью (РОС) ККЛ с областью плавной перестройки длины волны 10–20 см-1, а для ККЛ с внешним резонатором – до 170 см-1 ;
– ширина линии излучения составляет менее 100 кГц в режиме свободной генерации и менее 10 кГц при стабилизации;
– униполярная природа ККЛ и эффекты каскадирования приводят к генерации большой мощности излучения при 300 К – более 1 Вт (до 3-5 Вт) в области спектра 4–10 мкм в непрерывном режиме и до 120 Вт в импульсном режиме при к.п.д., составляющем десятки процентов;
– высокая рабочая (до 400 К) и высокая характеристическая (до 500 К) температура;
– высокочастотная модуляция до 100 ГГц;
– возможность генерации коротких импульсов излучения (tи=89 пс, частота 100 МГц) за счет короткого времени релаксации электронов и времени жизни фотонов в резонаторе (около 1–3 пс);
– самосинхронизация мод с частотой биений 13 ГГц;
– срок службы до 2,5 лет (при генерации излучения на длине волны 4,8 мкм).
Вывод
Появление коммерческих ККЛ существенно расширило спектральный диапазон лазеров вплоть до терагерцевой области, что сделало возможным создание на их основе компактных устройств, способных решать новые задачи в области обороны, безопасности, экологического мониторинга, атмосферных оптических линий связи, медицины и биологии, в научных исследованиях и других областях человеческой деятельности.
Дальнейшее развитие всех портативных информационно-измерительных комплексов на базе ККЛ непосредственно связано с созданием компактных энергоэффективных лазеров, обладающих повышенными эксплуатационными параметрами при комнатной температуре, расширением диапазона длин волн генерации и области перестройки ККЛ. По-прежнему остается актуальным вопрос, связанный с созданием недорогих обладающих высокой чувствительностью неохлаждаемых фотоприемных устройств. Предстоит еще большая работа по созданию новых материалов, в том числе метаматериалов, для разработки новых лазерных устройств, особенно в ТГц-диапазоне частот. Наконец, предстоит еще большая работа по созданию устройств формирования и управления лазерным излучением ККЛ, в частности быстродействующих пространственных фильтров для средств связи. Развитие перечисленных направлений позволит более эффективно искать новые подходы к созданию систем на базе ККЛ, основанных на применении современных материалов и технологий, тем самым расширяя область применения ККЛ.
В настоящее время квантово-каскадные лазеры все еще являются в некоторой степени узкопрофильными устройствами, и их производители сталкиваются с двумя основными проблемами. Производство трудно оптимизировать, поскольку оно требует от разработчиков особого внимания к драйверам и датчикам контроля температуры. Шум тока от драйвера квантово-каскадного лазера увеличивает ширину полосы излучения, что снижает общую чувствительность и точность системы, а изменение температуры приводит к изменению длины волны. Для обеспечения абсолютной точности важно оснастить квантово-каскадный лазер драйверами со сверхнизким уровнем шума и высокостабильными регуляторами температуры.
Список используемых источников
Квантово-каскадные лазеры и их применение в системах обеспечения безопасности и связи // Systems of Control, Communication and Security [Электронный ресурс] – URL: https://sccs.intelgr.com/archive/2016-01/02-Volkov.pdf (дата обращения 02.05.24).
Мощные квантово-каскадные лазеры с длиной волны генерации 8 µm // Журнал технической физики [Электронный ресурс] – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/48025 (дата обращения 02.05.24).
Исследование пространственных характеристик излучения квантовых каскадных лазеров для спектрального диапазона 8 µm //Журнал технической физики [Электронный ресурс] – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/50310 (дата обращения 02.05.24).
Двухчастотная генерация в квантово-каскадных лазерах спектрального диапазона 8 µm // Оптика и спектроскопия [Электронный ресурс] – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/46556 (дата обращения 02.05.24).
Генерация частотных гребенок квантово-каскадными лазерами спектрального диапазона 8 µm // Журнал технической физики [Электронный ресурс] – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/48387 (дата обращения 02.05.24).
Динамика спектров квантово-каскадных лазеров, генерирующих частотные гребенки в длинноволновом инфракрасном диапазоне // Журнал технической физики [Электронный ресурс] – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/49544 (дата обращения 02.05.24).
Поверхностно-излучающий квантово-каскадный лазер с кольцевым резонатором // Физика и техника полупроводников [Электронный ресурс] – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/49544 (дата обращения 02.05.24).
Будущее квантово-каскадных лазеров // INSCIENCE [Электронный ресурс] – URL: https://inscience.ru/library/article_post/budushchee-kvantovo-kaskadnyh-lazerov (дата обращения 19.05.24).
