Квантовый каскадный лазер

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 российские физики Р. Ф. Казаринов и Р. А. Сурис в 1971 г. Квантовый каскадный лазер успешно реализован в 1994 г. группой исследователей во главе с Ф. Капассо (США).

Многослойная полупроводниковая структура квантового каскадного лазера представляет собой полупроводниковую сверхрешётку – последовательность квантовых ям, разделённых потенциальными барьерами. Особенность квантового каскадного лазера состоит в том, что длина волны испускаемого ими излучения определяется не шириной запрещённой зоны в активной области, как в обычном инжекционном лазере, а геометрическими параметрами сверхрешёток – толщиной потенциальных барьеров и шириной квантовых ям. Это определяет диапазон генерируемого излучения – от среднего и дальнего инфракрасного до терагерцевого. Другое важное отличие квантового каскадного лазера от инжекционных лазеров – использование носителей заряда лишь одного знака – или электронов, или дырок.

Принцип работы квантового каскадного лазера состоит в следующем. При помещении сверхрешётки в электрическое поле начинается туннелирование электронов из одной квантовой ямы в соседнюю (рис. 1). Электрон, находящийся на нижнем энергетическом уровне 1 квантовой ямы с номером ${\displaystyle {n}}$, туннелирует на возбуждённый уровень 2 квантовой ямы с номером ${\displaystyle {n+1}}$ и испускает квант света – фотон. Если темп термической 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 ${\displaystyle {n+1}}$ в состояние 1 ямы ${\displaystyle {n}}$ с поглощением фотона. Таким образом, возникает инверсия населённостей между состояниями ${\displaystyle {(1,n)}}$ и ${\displaystyle {(2,n+1)}}$ и появляется возможность генерации излучения с энергией фотона ${\displaystyle {{\text{ℏ}}\omega }}$, равной превышению энергии основного уровня 1 ямы ${\displaystyle {n}}$ над энергией возбуждённого уровня 2 ямы ${\displaystyle {n+1}}$. В условиях генерации излучения движение каждого электрона представляет собой каскад переходов между соседними ямами, сопровождающихся стимулированным испусканием фотонов.

Возможна и другая схема переходов (рис. 2). Если в каждой квантовой яме существуют три уровня энергии, то при резонансе между уровнем 1 квантовой ямы ${\displaystyle {n}}$ и уровнем 3 ямы ${\displaystyle {n+1}}$ 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 ${\displaystyle {{\text{ℏ}}\omega }}$, равной разности энергий между уровнями 3 и 2. Реальные структуры для квантового каскадного лазера намного сложнее, чем представленные на рисунках 1 и 2.

Поскольку квантовые каскадные лазеры имеют широкий диапазон длин волн излучения и могут сравнительно легко перестраиваться, они применяются в спектроскопии газов; используются для контроля выбросов в атмосферу, технологических процессов и в медицине. Из-за большой длины волны и, следовательно, малого сечения рассеяния на частичках пыли и тумана квантовые каскадные лазеры могут быть использованы для оптической связи через мутную атмосферу и для создания устройств, предотвращающих столкновения транспортных средств.