Квантово-каскадный лазер
-
История и принципы работы QCLs
- QCLs были впервые продемонстрированы в 1994 году.
- Они используют межподзонные переходы в полупроводниковых гетероструктурах.
- В отличие от межзонных лазеров, QCLs являются однополярными.
-
Межподзонные переходы
- Электроны в QCLs занимают состояния в подзонах, разделенных запрещенной зоной.
- Толщина слоев определяет энергетические уровни и длину волны излучения.
- Электроны могут туннелировать между подзонами, испуская фотоны.
-
Уравнения скорости и инверсия населенности
- Уравнения скорости описывают движение электронов в подзонах.
- Инверсия населенности достигается при определенных соотношениях скоростей рассеяния.
- Общая плотность носителей определяется легированием.
-
Проекты активных областей
- Толщина слоев влияет на волновые функции электронов.
- Диагональный переход уменьшает перекрытие уровней, вертикальный переход увеличивает.
- Для увеличения усиления волновые функции нижнего уровня и уровня земли проектируются для перекрытия.
-
Материальные системы
- Первые QCLs были изготовлены на основе GaInAs/AlInAs.
- GaAs/AlGaAs и InAs/AlSb также используются для достижения коротковолнового излучения.
- InAs/AlSb имеет малую эффективную массу электронов, что способствует высокому межподзонному усилению.
-
Современные достижения
- QCLs на основе InAs демонстрируют работу при комнатной температуре и низкие пороговые плотности тока.
- QCLs могут работать в материалах с непрямой запрещенной зоной, таких как кремний.
-
Межзонные и межподзонные оптические переходы
- Межзонные переходы снижают интенсивность излучения из-за медленного рассеяния.
- Межподзонные переходы не зависят от импульса минимумов зоны проводимости и валентной зоны.
-
Длины волн излучения
- QCLS охватывают диапазон от 2,63 мкм до 250 мкм.
- Магнитное поле расширяет диапазон до 355 мкм.
-
Оптические волноводы
- Гребневой волновод: протравливание канавок, диэлектрический материал, покрытие золотом.
- Скрытая гетероструктура: травление, выращивание нового материала, диэлектрический материал.
-
Типы лазеров
- Лазеры Фабри–Перо: простой резонатор, высокая мощность, многорежимность.
- Лазеры с распределенной обратной связью: DFB, один режим, настройка температурой.
- Лазеры с внешним резонатором: антиотражающее покрытие, внешний резонатор, частотно-селективные элементы.
-
Расширенные устройства настройки
- Встроенные нагреватели: до 0,7% от центральной длины волны.
- Решетки надстройки: до 4% от центральной длины волны.
-
Рост и приложения
- Чередующиеся слои полупроводников выращены методами MBE и MOVPE.
- Коммерциализация: FP в 1998, DFB в 2004, EC в 2006.
- Применение: спектроскопия, дистанционное зондирование, безопасность, медицина, химия плазмы.
- Внутриимпульсная QCL-спектроскопия: идентификация и количественное определение сложных молекул.