ЛА́ЗЕР НА КВА́НТОВЫХ ТО́ЧКАХ

ЛА́ЗЕР НА КВА́НТОВЫХ ТО́ЧКАХ (ЛКТ), раз­но­вид­ность по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ла­зе­ра; ге­те­ро­ла­зер, ак­тив­ная об­ласть ко­то­ро­го пред­став­ля­ет со­бой кван­то­вые точ­ки, т. е. объ­ек­ты раз­ме­ра­ми не бо­лее де­сят­ков на­но­мет­ров во всех трёх про­стран­ст­вен­ных из­ме­ре­ни­ях.

Реа­ли­за­ция по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ла­зе­ра как при­бо­ра, ко­то­рый мо­жет ис­поль­зо­вать­ся в разл. об­лас­тях пром-сти и тех­ни­ки, а не толь­ко в на­уч. экс­пе­римен­те, ста­ла воз­мож­ной по­сле раз­ра­бот­ки Ж. И. Ал­фё­ро­вым с со­труд­ни­ка­ми в кон. 1960-х гг. ге­те­ро­ст­рук­тур и вве­де­ния их в ла­зер­ную фи­зи­ку и тех­но­ло­гию. В 1976 Р. Дингл и Ч. Ген­ри (США) ука­за­ли на воз­мож­ность улуч­ше­ния ха­рак­те­ри­стик по­лу­про­вод­ни­ко­вых ла­зе­ров при ис­поль­зо­ва­нии эф­фек­тов раз­мер­но­го кван­то­ва­ния, ко­гда раз­мер ак­тив­ной об­лас­ти при­бо­ра ста­но­вит­ся по­ряд­ка де­сят­ков на­но­мет­ров. Пре­дель­ный слу­чай раз­мер­но­го кван­то­ва­ния в по­лу­про­вод­ни­ках – ге­те­ро­ст­рук­ту­ры с ог­ра­ни­че­ни­ем дви­же­ния но­си­те­лей за­ря­да во всех трёх из­ме­ре­ни­ях. Та­кие струк­ту­ры на­зы­ва­ют кван­то­вы­ми точ­ка­ми. С точ­ки зре­ния фи­зи­ки твёр­до­го те­ла осн. свой­ст­во кван­то­вых то­чек со­сто­ит в том, что спектр элек­трон­ных со­стоя­ний пред­став­ля­ет со­бой на­бор дис­крет­ных уров­ней, раз­де­лён­ных об­лас­тя­ми за­пре­щён­ных со­стоя­ний, и со­от­вет­ст­ву­ет элек­трон­но­му спек­тру оди­ноч­но­го ато­ма. С точ­ки зре­ния тех­но­ло­гии кван­то­вые точ­ки ха­ракте­ри­зу­ют­ся ма­лы­ми раз­ме­ра­ми. Эти осо­бен­но­сти кван­то­вых то­чек при­во­дят к сле­дую­щим осн. пре­иму­ще­ст­вам ЛКТ: сверх­вы­со­кая тем­пе­ра­тур­ная ста­биль­ность ра­бо­че­го то­ка, вы­со­кие ра­бо­чие час­то­ты, воз­мож­ность реа­ли­за­ции сверх­уз­ко­го и сверх­ши­ро­ко­го спек­тров ла­зер­ной ге­не­ра­ции, воз­мож­ность по­вы­ше­ния сро­ка служ­бы.

Схема лазера на квантовых точках.

Экс­пе­ри­мен­таль­но по­лу­про­вод­ни­ко­вый ЛКТ реа­ли­зо­ван при ис­поль­зо­ва­нии эф­фек­тов са­мо­ор­га­ни­за­ции в по­лу­про­вод­ни­ко­вых на­но­ст­рук­ту­рах. Кван­то­вые точ­ки об­ра­зу­ют­ся на на­чаль­ном эта­пе эпи­так­си­аль­но­го рос­та ма­те­риа­лов, раз­ли­чаю­щих­ся па­ра­мет­ра­ми кри­стал­лич. ре­шёт­ки. Так бы­ли по­лу­че­ны ге­те­ро­струк­ту­ры с кван­то­вы­ми точ­ка­ми с вы­со­ким крис­тал­лич. со­вер­шен­ст­вом, вы­со­кой од­но­род­но­стью по раз­ме­рам (раз­брос ме­нее 10%) и вы­со­кой эф­фек­тив­но­стью ге­не­ра­ции из­лу­че­ния. Ге­те­ро­ст­рук­ту­ра для ЛКТ (рис.) вы­ра­щи­ва­ет­ся в од­ном про­цес­се эпи­так­сии, без про­ве­де­ния до­пол­нит. ли­то­гра­фич. опе­ра­ций для фор­ми­ро­ва­ния кван­то­вых то­чек. От обыч­но­го по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ла­зе­ра ЛКТ от­ли­ча­ет­ся толь­ко ак­тив­ной об­ла­стью, ко­то­рая пред­став­ля­ет со­бой мас­сив кван­то­вых то­чек.

Осн. экс­пе­ри­мен­ты на ЛКТ вы­пол­не­ны на сис­те­ме по­лу­про­вод­ни­ко­вых ма­те­риа­лов GaAs–AlGaAs–InGaAs. Ве­дут­ся ис­сле­до­ва­ния и с ис­поль­зо­ва­ни­ем др. ма­те­риа­лов, в ча­ст­но­сти GaAsSb, InGaAsN, GaN–AlGaN–InGaN, а так­же ма­те­риа­лов на ос­но­ве со­еди­не­ний груп­пы А²В⁶.

Пер­вый ин­жек­ци­он­ный ЛКТ реа­ли­зо­ван в 1994. С это­го вре­ме­ни его ха­рак­те­ри­сти­ки зна­чи­тель­но улуч­ши­лись, и к нач. 21 в. по не­ко­то­рым свой­ст­вам ЛКТ пре­вос­хо­дят др. по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры. Так, напр., они име­ют са­мую низ­кую по­ро­го­вую плот­ность то­ка, ра­бо­та­ют в ра­нее не­дос­ти­жи­мых диа­пазо­нах длин волн из­лу­че­ния и ре­жи­мах ра­бо­ты. Эти ла­зе­ры при­ме­ня­ют­ся в мед. тех­ни­ке, сис­те­мах свя­зи, им­пульс­ной тех­ни­ке и др.