Кіріспе

Кванттық каскадты лазерлер (QCL) – электромагниттік спектрдің орташа және алыс инфрақызыл бөлігінде сәуле шығаратын жартылай өткізгіш лазерлер. Олар алғаш рет 1994 жылы Жером Фейст, Федерико Капассо, Дебора Сивко, Карло Сиртори, Альберт Хатчинсон және Альфред Чо Bell Laboratories зертханасында көрсеткен. Материалдың энергиялық жолағында электрон-тесік жұптарының рекомбинациясы арқылы электромагниттік сәуле шығаратын әдеттегі жартылай өткізгіш лазерлерден өзгеше, QCL-дер бірполярлы болып табылады, ал лазерлік эмиссия жартылай өткізгіштің көптеген кванттық құдықтарынан тұратын гетероструктуралардың қайталама қабаттарындағы ішкі жолақтык өтулер арқылы жүзеге асырылады. Бұл идея алғаш рет 1971 жылы Р.Ф. Казаринов пен Р.А. Сурис «Суперторлы жартылай өткізгіште электромагниттік толқындарды күшейту мүмкіндігі» атты мақаласында ұсынылған.

Суббайталық және аралық жолақтар арасындағы ауысулар

Үлкен жартылай өткізгіш кристалда электрондар екі үздіксіз энергия жолағының бірінде орналаса алады: төмен энергиялы электрондар көптеп шоғырланған валенттік жолақта және жоғары энергиялы электрондар сиреп орналасқан өткізгіш жолақта. Екі энергия жолағы арасында электрондарға рұқсат етілген күйлердің жоқ болатын энергиялық аралық орналасқан. Дәстүрлі жартылай өткізгіш лазерлік диодтар жарық шығару үшін өткізгіш жолақтағы жоғары энергиялы электронның валенттік жолақтағы бос орынмен қайта бірігуі нәтижесінде пайда болатын бір фотонды қолданады. Сондықтан лазерлік диодтардың фотон энергиясы және сәуле шығару толқын ұзындығы қолданылатын материалдық жүйенің энергиялық аралығымен анықталады. Алайда, QCL (кванттық каскадтық лазер) оптикалық белсенді аймағында жартылай өткізгіш материалдарды қолданбайды. Оның орнына, ол әртүрлі материалдық құрамы бар жұқа қабаттардың периодтық тізбегінен тұрады, бұл суперторды құрайды. Супертор құрылғының ұзындығы бойынша өзгеретін электр потенциалын тудырады, яғни электрондардың құрылғының ұзындығы бойынша әртүрлі орналасу мүмкіндігі бар. Бұл бір өлшемді көп кванттық құдыққа шектеу деп аталады және рұқсат етілген энергиялар жиынтығының бірнеше дискретті электрондық қосалқы жолақтарға бөлінуіне әкеледі. Қабаттардың қалыңдығын тиісті түрде жобалау арқылы лазерлік сәуле шығару үшін қажетті жүйедегі екі қосалқы жолақ арасында популяция инверсиясын жасауға болады. Энергия деңгейлерінің орналасуы негізінен материалға емес, қабаттардың қалыңдығымен анықталатындықтан, QCL-дің сәуле шығару толқын ұзындығын бір материалдық жүйеде кең ауқымда реттеуге болады. Сонымен қатар, жартылай өткізгіш лазерлік диодтарда электрондар мен бос орындар энергиялық аралықта қайта біріккеннен кейін жойылады және фотон тудыру процесінде одан әрі қатыса алмайды. Алайда, бірполярлы QCL-де электрон қосалқы жолақтар арасындағы ауысудан өтіп, супертордың бір периодында фотонды шығарғаннан кейін, ол құрылымның келесі периодына туннельдеп өтіп, тағы бір фотонды шығара алады. Бір электронның QCL құрылымы арқылы өтетін бірнеше фотонның сәулеленуіне себеп болатын бұл процесс каскад деп аталады және бірліктен жоғары кванттық тиімділікті қамтамасыз етеді, бұл жартылай өткізгіш лазерлік диодтарға қарағанда жоғары шығыс қуатына әкеледі.

Белсенді аймақтардың жобалары

Шашырау жылдамдықтары суббайнаттардың электрондық толқын функцияларын анықтайтын суперкестенің қабат қалыңдықтарын тиісті жобалау арқылы реттеледі. Екі суббайнат арасындағы шашырау жылдамдығы толқын функцияларының үсті-үстіне жатуына және суббайнаттар арасындағы энергия арақашықтығына күшті түрде тәуелді. Суретте үш кванттық құдықтан (3QW) тұратын QCL белсенді аймағы мен инжектордағы толқын функциялары көрсетілген. Жоғарғы және төменгі лазер деңгейлерінің арасындағы үсті-үстіне жатуын азайту үшін, қабат қалыңдықтарын осылай жобалау арқылы бұл қол жеткізіледі: жоғарғы лазер деңгейі 3QW белсенді аймағының сол жақ құдығында шоғырланған, ал төменгі лазер деңгейінің толқын функциясы негізінен орталық және оң жақ құдықтарда орналасады. Бұл диагональдык өту деп аталады. Вертикальдык өту – жоғарғы лазер деңгейі негізінен орталық және оң жақ құдықтарда шоғырланған жағдайда болады. Бұл үсті-үстіне жатуды арттырады, соның салдарынан популяциялық инверсия төмендейді, бірақ радиациялық өтудің күші артады, демек, күшейту де артады. Күшейтуді арттыру үшін төменгі лазер деңгейі мен негізгі деңгейдің толқын функциялары жақсы үсті-үстіне жататындай етіп жобаланады, ал одан әрі арттыру үшін суббайнаттар арасындағы энергия арақашықтығы бойлық оптикалық (LO) фонон энергиясына тең етіледі (GaAs-та ~36 мэВ), сонда резонанстық LO фонон электрондық шашырауы төменгі лазер деңгейін жылдам босатуы мүмкін.

Материалдық жүйелер

Бірінші QCL InP субстратына сәйкес GaInAs/AlInAs материалдық жүйесінде жасалды. 1998 жылы Sirtori және авторлар GaAs/AlGaAs QCL-дерін көрсетті, бұл сапаны бақылау тұжырымдамасы бір ғана материалдық жүйемен шектелмейтінін дәлелдеді. Бұл материалдық жүйеде кедергілердегі алюминийдің үлесіне байланысты кванттық құдықтардың тереңдігі өзгереді. GaAs негізіндегі QCL-дер InP негізіндегі QCL-дердің орташа инфрақызыл диапазонындағы өнімділік деңгейіне жетпесе де, спектрдің терагерц аймағында өте табысты болды. QCL-дердің ең қысқа толқын ұзындығы кванттық құдықтардың тереңдігімен анықталады және жақында қысқа толқынды сәулелендіруді алу үшін өте терең кванттық құдықтары бар материалдық жүйелерде QCL-дер жасалды. InGaAs/AlAsSb материалдық жүйесінде 1,6 ЭВ тереңдіктегі кванттық құдықтар бар және олар 3,05 мкм толқын ұзындығында сәуле шығаратын QCL-дерді жасау үшін қолданылды. InAs/AlSb QCL-дерде 2,1 ЭВ тереңдіктегі кванттық құдықтар бар және 2,5 мкм-ға дейінгі толқын ұзындықтарында электролюминесценция байқалды. InAs/AlSb жұбы InP және GaAs субстраттарында өсірілген қорытпалармен салыстырғанда QCL материалдық отбасының ең жаңа мүшесі болып табылады. InAs/AlSb материалдық жүйесінің басты артықшылығы кванттық құдықтардағы электрондардың кішкентай тиімді массасы болып табылады, бұл жоғары ішкі топтық күш алуға мүмкіндік береді. Бұл артықшылықты лазерлік ауысу деңгейлері өткізгіштік жолағының түбіне жақын және параболиясыздық әсері әлсіз болатын ұзақ толқынды QCL-дерде жақсы пайдалануға болады. InAs негізіндегі QCL-дер бөлме температурасында (RT) үздіксіз толқынмен (CW) жұмыс істеуді көрсетті, толқын ұзындығы импульстік шекті ток тығыздығы төменгі деңгейге дейін жетті. Соңғы кезде InAs негізіндегі QCL-дер бөлме температурасында жұмыс істейтіні көрсетілді. Алынған шектік мән қазіргі кездегі ең жақсы InP негізіндегі QCL-дерінен төмен, фасеттік өңдеме жасалмаған. QCL-дер дәстүрлі түрде нашар оптикалық қасиеттері бар саналатын материалдарда лазерлік жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Кремний сияқты тікелей емес жолақты аралық материалдардың ең төменгі электрондық және тесіктік энергиялары әртүрлі импульс мәндерінде болады. Тораралық оптикалық ауысулар үшін тасымалдаушылар импульсті өзгерту үшін баяу, аралық шашырау процесінен өтеді, бұл оптикалық сәулелендірудің қарқындылығын күрт төмендетеді. Алайда, субтоптық оптикалық ауысулар өткізгіштік жолағы мен валенттілік жолағының ең төменгі мәндерінің салыстырмалы импульсіне тәуелді емес, ал Si/SiGe кванттық каскадты сәулелендіргіштері үшін теориялық ұсыныстар жасалды. Полярлық емес SiGe гетероқұрылымдарынан субтоптық электролюминесценция орташа және алыс инфрақызыл толқын ұзындықтарында, валенттік және өткізгіштік жолақтарында байқалды.

Эмиссия толқын ұзындығы

QCL қазіргі уақытта 2,63 мкм-ден 250 мкм-ға дейінгі толқын ұзындығы диапазонын қамтиды (ал магниттік өріс қолданғанда 355 мкм-ға дейін кеңейеді).

Оптикалық толқын жетектері

Кванттық каскадтық күшейткіш материалды пайдалы жарық шығаратын құрылғыға өңдеудің алғашқы қадамы – күшейткіш ортаны оптикалық толқын жетекке шоғырландыру болып табылады. Бұл шығарылған жарықты коллимцияланған сәулеге бағыттауға мүмкіндік береді және жарық күшейткіш ортаға қайта жұмсалуын қамтамасыз ететін лазерлік резонатор құруға жол ашады. Оптикалық толқын жетектерінің екі түрі жиі қолданылады. Қиыршық толқын жетектері кванттық каскадтық материалда параллель ойыстар жасау арқылы құрылады, нәтижесінде әдетте ~10 мкм ені және бірнеше мм ұзындығы бар QC материалының оқшауланған жолағы пайда болады. Диэлектрлік материал әдетте ойыстарға жабылады, бұл инъекцияланған токты жолаққа бағыттауға мүмкіндік береді, содан кейін бүкіл жолақ электрлік байланыс жасау және жарық шығарған кезде жолақтан жылуды кетіруге көмектесу үшін әдетте алтынмен қапталады. Жарық толқын жетектерінің кесілген шеттерінен шығарылады, оның белсенді аймағы әдетте бірнеше микрометр өлшемде болады. Толқын жетектерінің екінші түрі – көмілген гетероқұрылым. Бұл жағдайда QC материалы да оқшауланған қырқа жасау үшін ойылады. Бірақ енді жаңа жартылай өткізгіш материал қырқаның үстіне өсіріледі. QC материалы мен өскен материал арасындағы сындыру көрсеткішінің айырмашылығы толқын жетектерін құру үшін жеткілікті. QC қырқасының айналасындағы өскен материалға диэлектрлік материал да жабылады, бұл инъекцияланған токты QC күшейткіш ортасына бағыттауға көмектеседі. Көмілген гетероқұрылымдық толқын жетектері жарық шығарылған кезде QC белсенді аймағынан жылуды тиімді түрде кетіруге қабілетті.

Лазер түрлері

Кванттық каскадтық күшейту ортасы суперлюминесценттік конфигурацияда когерентсіз жарық тудыруға қолданылуы мүмкін, бірақ көбінесе лазер жасау үшін оптикалық резонатормен бірге қолданылады.

Фабри-Перо лазерлері

Бұл кванттық каскадты лазерлердің ең қарапайым түрі. Бірінші кезекте, кванттық каскад материалынан оптикалық толқын жетек жасалып, күшейту ортасы құрылады. Кристаллдық жартылай өткізгіш құрылғысының екі ұшы толқын жетек екі басындағы параллель айналарды жасау үшін кесіледі, осылайша Фабри-Перо резонаторы пайда болады. Жартылай өткізгіштен ауаға дейінгі кесілген беттердегі қалдық шағылыстыру резонатор құруға жеткілікті. Фабри-Перо кванттық каскадты лазерлер жоғары қуаттарды өндіре алады, бірақ әдетте жоғары ток күшінде көп режимді болады. Толқын ұзындығын негізінен QC құрылғысының температурасын өзгерту арқылы өзгертуге болады.

Таратылған кері байланыс лазерлері

Бөлінген кері байланыс (DFB) кванттық каскадты лазері Фабри-Перо лазеріне ұқсас, бірақ қажетті толқын ұзындығынан өзге толқынды сәулелендіруін болдырмау үшін толқын жетекшісінің үстіне орнатылған бөлінген Брэгг рефлекторы (DBR) бар. Бұл лазерді жоғары ток күшінде де бір режимде жұмыс істеуге мәжбүр етеді. DFB лазерлерін негізінен температураны өзгерту арқылы реттеуге болады, алайда DFB лазерін импульстік режимде қолдану арқылы реттеудің ерекше әдісін алуға болады. Осы режимде лазердің толқын ұзындығы импульс барысында жылдам "өзгертіліп", спектрлік аймақты жылдам сканерлеуге мүмкіндік береді.

Сыртқы қуыс лазерлері

Сыртқы қуыс (EC) кванттық каскадты лазерде кванттық каскад құрылғысы лазерлік күшейту ортасы ретінде қызмет етеді. Толқын жетектерінің біреуі немесе екеуі де анти-рефлекстік жабынмен жабылған, бұл кесілген жақтардың оптикалық қуыс әрекетін жояды. Ойнақтар QC құрылғысының сыртында орналастырылып, оптикалық қуысты құрайды. Егер сыртқы қуысқа жиілікті таңдаушы элемент қосылса, лазерлік сәуле шығаруды бір толқын ұзындығына дейін азайтуға және тіпті сәулеленуді реттеуге болады. Мысалы, дифракциялық торлар орталық толқын ұзындығының 15%-дан астам диапазонында реттелетін лазер жасау үшін қолданылған.

Кеңейтілген күйлендіру құрылғылары

Кванттық каскадты лазерлердің баптау диапазонын кеңейтуге монолитті интеграцияланған элементтерді ғана пайдалана отырып, бірнеше әдіс бар. Интегралды қыздырғыштар тұрақты жұмыс температурасында орталық толқын ұзындығының 0,7%-ға дейін, ал Вернье эффектісі арқылы жұмыс істейтін суперструктуралық торлар стандартты DFB құрылғысымен салыстырғанда (<0,1%) орталық толқын ұзындығының 4%-ға дейін баптау диапазонын кеңейте алады.

Өсу

Кванттық гетероқұрылым құрайтын екі түрлі жартылай өткізгіштің кезектесіп орналасқан қабаттары молекулалық сәулелі эпитаксия (MBE) немесе металл-органикалық бу фазалық эпитаксия (MOVPE), сондай-ақ металл-органикалық химиялық бумен жинақталу (MOCVD) сияқты әртүрлі әдістер арқылы субстратқа өсірілуі мүмкін.

Қолданбалар

Фабри-Перо (FP) кванттық каскадты лазерлер алғаш рет 1998 жылы, таратылған кері байланыс (DFB) құрылғылары алғаш рет 2004 жылы, ал кеңінен реттелетін сыртқы қуысты кванттық каскадты лазерлер алғаш рет 2006 жылы коммерцияланды. Жоғары оптикалық қуаттылығы, реттеу диапазоны және бөлме температурасында жұмыс істеуі QCL-ді атмосферадағы қоршаған орта газдары мен ластаушы заттарды қашықтан сезіну және қауіпсіздік сияқты спектроскопиялық қолданыстар үшін пайдалы етеді. Олар болашақта нашар көріну жағдайында көлік құралдарының жылдамдығын басқару, соқтығысуды болдырмау радары, өндірістік процестерді бақылау және тыныс талдағышы сияқты медициналық диагностикада қолданылуы мүмкін. QCL-дер плазма химиясын зерттеу үшін де қолданылады. Көп лазерлік жүйелерде қолданғанда, интрапульстік QCL спектроскопиясы кең спектрлі жабынды ұсынады, оны улы химиялық заттар, жарылғыш заттар және дәрі-дәрмектердегі күрделі ауыр молекулаларды анықтау және мөлшерлеу үшін пайдалануға болады.