КВА́НТОВЫЙ КАСКА́ДНЫЙ ЛА́ЗЕР

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.

Рис. 1.

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.

Рис. 2.

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.