КВА́НТОВЫЙ КАСКА́ДНЫЙ ЛА́ЗЕР
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КВА́НТОВЫЙ КАСКА́ДНЫЙ ЛА́ЗЕР, 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 рос. физики Р. Ф. Казаринов и Р. А. Сурис в 1971. К. к. л. успешно реализован в 1994 группой исследователей во главе с Ф. Капассо (США).
Многослойная полупроводниковая структура К. к. л. представляет собой полупроводниковую сверхрешётку – последовательность квантовых ям, разделённых потенциальными барьерами. Особенность К. к. л. состоит в том, что длина волны испускаемого ими излучения определяется не шириной запрещённой зоны в активной области, как в обычном инжекционном лазере, а геометрич. параметрами сверхрешёток – толщиной потенциальных барьеров и шириной квантовых ям. Это определяет диапазон генерируемого излучения – от среднего и дальнего инфракрасного до терагерцового. Др. важное отличие К. к. л. от инжекционных лазеров – использование носителей заряда лишь одного знака – или электронов, или дырок.
Принцип работы К. к. л. состоит в следующем. При помещении сверхрешётки в электрич. поле начинается туннелирование электронов из одной квантовой ямы в соседнюю (рис. 1). Электрон, находящийся на нижнем энергетич. уровне 1 квантовой ямы с номером n, туннелирует на возбуждённый уровень 2 квантовой ямы с номером n + 1 и испускает квант света – фотон. Если темп термич. 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 n + 1 в состояние 1 ямы n с поглощением фотона. Т. о., возникает инверсия населённостей между состояниями (1,n) и (2, n + 1) и появляется возможность генерации излучения с энергией фотона ℏω, равной превышению энергии основного уровня 1 ямы n над энергией возбуждённого уровня 2 ямы n + 1. В условиях генерации излучения движение каждого электрона представляет собой каскад переходов между соседними ямами, сопровождающихся стимулированным испусканием фотонов.
Возможна и др. схема переходов (рис. 2). Если в каждой квантовой яме существуют три уровня энергии, то при резонансе между уровнем 1 квантовой ямы n и уровнем 3 ямы n + 1 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 ℏω, равной разности энергий между уровнями 3 и 2. Реальные структуры для К. к. л. намного сложнее, чем представленные на рисунках 1 и 2.
Поскольку К. к. л. имеют широкий диапазон длин волн излучения и могут сравнительно легко перестраиваться, они применяются в спектроскопии газов; используются для контроля выбросов в атмосферу, технологич. процессов и в медицине. Из-за большой длины волны и, следовательно, малого сечения рассеяния на частичках пыли и тумана К. к. л. могут быть использованы для оптич. связи через мутную атмосферу и для создания устройств, предотвращающих столкновения транспортных средств.