Квантово-каскадные лазеры

Квантово-каскадный лазер – это полупроводниковый лазер, излучающий в средней и дальней инфракрасной области спектра электромагнитного излучения. Первые действующие образцы таких лазеров появились относительно недавно (в 1994 году), хотя идея их создания была предложена Р. Казариновым и Р. Сурисом (Россия) еще в 1971 году. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают кванты электромагнитного поля посредством межзонной рекомбинации электронно-дырочных пар (рис. 3.78а), квантово-каскадные лазеры являются однополярными (униполярными) и излучение возникает при переходе электронов внутри одной энергетической зоны (рис. 3.78б).

а) б)

Рис. 3.78. Схема излучательных переходов: а) межзонная рекомбинация электронно-дырочных пар; б) переход электрона между подзонами в квантово-размерной гетероструктуре

Конструктивно квантово-каскадный лазер представляет собой сверхрешетку – периодическую структуру из чередующихся слоев нанометровой толщины из двух различающихся по ширине запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Один из них выполняет роль квантовой ямы, а другой – барьера. Период такого искусственного кристалла примерно равен 5 нм, что превышает постоянную решетки (~0,5 нм) кристаллов, образующих сверхрешетку. Сверхрешетка создает периодически изменяющийся вдоль структуры электрический потенциал, поэтому вероятности нахождения электронов в различных участках по всей длине сверхрешетки различны. Такая структура называется одномерной квантовой ямой и приводит к расщеплению полосы разрешенных энергий для электронов на ряд дискретных энергетических подзон. При определенных значениях толщины слоя можно получить инверсию населенности двух подзон, что является необходимым условием для генерации лазерного излучения. Так как положение энергетических уровней в системе в первую очередь определяется толщиной слоя, а не химическим составом материала, то в квантово-каскадном лазере можно варьировать длину волны излучения в достаточно широком диапазоне.

Структура квантово-каскадного лазера (рис. 3.79) включает в себя активные области, в которых происходит излучение фотонов, и разделяющие их инжекционные области (инжекторы). Волнистыми линями показана пространственная зависимость квадрата модуля волновой функции для различных энергетических уровней электронов. Инжектор представляет собой слабо апериодическую и частично легированную сверхрешетку. Инжектор обладает хорошей туннельной прозрачностью для электронов низких энергий (состояния Е₁ и Е₂) и плохой прозрачностью для электронов высоких энергий (состояние Е₃). Кроме того, он служит своеобразным резервуаром для электронов, а также исключает образование доменов в электрическом поле кристалла.

Рис. 3.79. Энергетическая зонная диаграмма (один период) квантового каскадного лазера

В обычной квантовой яме интенсивный переход между уровнями размерного квантования с излучением оптического фонона (кванта колебаний кристаллической решетки) препятствует созданию инверсной населенности, необходимой для генерации лазерного излучения. Для подавления процессов излучения оптических фононов активную область изготавливают специальным образом. В квантовой яме активной области из InGaAs (рис. 3.79) формируют два тонких барьера из AlInAs таким образом, чтобы электронный уровень Е₂, на который электрон совершает излучательный переход с верхнего уровня Е₃, был расположен вблизи уровня Е₁ основного состояния в квантовой яме. Квантово-механические расчеты такой структуры показывают, что вероятность перехода с уровня Е₃ на уровень Е₂ преобладает над вероятностью оптическим переходом с уровня Е₃ на уровень Е₁. Важно отметить, что расстояние между нижними уровнями Е₂ и Е₁ для такой структуры составляет примерно 38 мэВ, что близко к энергии оптического фонона для InGaAs, равного 34 мэВ. При таких условиях квантовый уровень Е₂ активной области гораздо быстрее опустошается от электронов за счет переходов с испусканием фононов на уровень Е₁, чем заполняется с верхнего уровня Е₃ с испусканием оптического фонона. Характерное время испускания оптического фонона при переходе с уровня Е₂ на уровень Е₁ порядка 0,3∙10^-12 с, а время испускания фонона при переходе с уровня Е₃ на уровень Е₂ примерно на порядок больше – 3,6∙10^-12 с. Такое соотношение времен безызлучательных переходов позволяет создать инверсную заселенность между уровнями Е₃ и Е₂ активной области. В итоге между этими уровнями могут возникать вынужденные оптические переходы, а, следовательно, и генерации лазерного излучения в инфракрасной области спектра.

В квантово-каскадной структуре, фотоны излучаются при переходе электронов между энергетическими уровнями в пределах одной зоны. Затем они туннелируют в следующем периоде структуры, и процесс повторяется. В обычных полупроводниковых инжекционных лазерах электроны и дырки уничтожаются после межзонной рекомбинации и не могут участвовать в дальнейшей генерации фотонов. В однополярном квантово-каскадном лазере, напротив, после каждого междузонного перехода в одном периоде структуры и испускания фотона электрон может туннелировать через инжектор в следующий период структуры, где может также испуститься другой фотон. Значение квантовой эффективности такого процесса может быть больше единицы, что приводит к повышению выходной мощности, существенно большей, чем у обычных полупроводниковых лазерных диодов.

Квантово-каскадные лазеры способны излучать в довольно широкой спектральной области инфракрасного (от 3,4 до 24 мкм и от 67 до 200 мкм) и даже терагерцового диапазона. Мощность излучения в импульсном режиме составляет единицы и десятки ватт, в непрерывном режиме – сотни милливатт. Лучшие образцы имеют КПД на уровне 30 %. Основные области применения квантово-каскадных лазеров следующие:

1. Молекулярная спектроскопия высокого разрешения.

2. Контроль загрязнений окружающей среды (контроль выбросов в атмосферу, дистанционный газовый анализ, контроль быстропротекающих технологических процессов, вулканология, обнаружение следов веществ).

3. Медицинская диагностика, основанная на анализе выдыхаемого воздуха (онкологические заболевания, астма, сахарный диабет и др.).

4. Оптическая и космическая связь.

5. Безопасность и оборона (обнаружение наркотиков, взрывчатых и других химических или биологических веществ, маяки, секретная связь в свободном пространстве, опознавание «свой-чужой» и т. д.).

Лазеры, излучающие в терагерцовом диапазоне длин волн, также находят широкое применение. В частности, они используются в системах безопасности аэропортов для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, терагерцовое излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые предметы на расстоянии до десятков метров. В медицинскую практику начинают внедряться терагерцовые томографы, с помощью которых можно исследовать верхние слои тела до глубины в несколько сантиметров – кожу, сосуды, мышцы. Это нужно, например, для получения изображения опухолей. Совершенствование терагерцовых приемных камер позволяет получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, сделает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального облика произведений живописи. Данный тип лазеров может найти применение в системах контроля качества выпускаемой продукции. Например, с их помощью можно проводить осмотр продукции в пластиковой или бумажной таре, которая прозрачна в терагерцовом спектральном диапазоне, но непрозрачна в видимом. Рассматривается возможность разработки высокоскоростных терагерцовых систем связи и локации для больших высот и космоса.