Группа физиков продемонстрировала первый в России квантово-каскадный лазер в терагерцовом диапазоне, работающий в режиме непрерывной волны. Новый лазер обладает двухполосным терагерцовым излучением в широком диапазоне 3,1—3,9 ТГц. Исследование открывает новые возможности для систем беспроводной связи, медицинской диагностики и исследовании атмосферы Земли и межзвездного космического пространства. Полученные результаты опубликованы в Journal of Applied Physics.
Известно, что квантово-каскадные лазеры в ТГц диапазоне работают в импульсном режиме, то есть излучают порциями. Такой режим позволяет лазеру не перегреваться. Чтобы перевести квантово-каскадный лазер в режим непрерывного излучения, необходимо уменьшить тепловыделение лазера при его работе. Это возможно сделать, если ток, проходящий через лазер, будет достаточно мал.
«Мы ставили перед собой задачу уменьшить плотность тока на порядок до 100 А/см2 и решили ее. Это позволило нам продемонстрировать первый непрерывный ТГц квантово-каскадный лазер, изготовленный в России», — рассказал Рустам Хабибуллин, заведующий лабораторией квантово-каскадных лазеров МФТИ.
В лазере применяется двухфотонная конструкция. Идея двухфотонных лазеров была предложена одним из отцов-основателей квантовой электроники — Прохоровым Александром Михайловичем. В статье «Квантовая электроника» Прохоров утверждал, что квантовые генераторы с двумя квантовыми переходами (двухфотонная конструкция) являются перспективными объектами исследования. В двухфотонных лазерах излучение генерируется при участии двух фотонов. Такой процесс увеличивает энергоэффективность лазера.Однако долгое время экспериментальная реализация двухфотонного лазера была затруднена из-за отсутствия подходящей материальной системы (усиливающей среды).
«Создание квантово-каскадных лазеров является крайне сложной технологической задачей. На сегодняшний день небольшое число технологически развитых стран в состоянии решать данную задачу. Практически все этапы создания таких лазеров требуют “рекордов” и под силу лишь топовым командам. Это касается и разработки зонных дизайнов, и чрезвычайно прецизионного роста полупроводниковых гетероструктур. Здесь бы я выделил наших коллег из ФТИ им. А. Ф. Иоффе (Николай Малеев, Алексей Васильев, Александр Кузьменков), которым удалось эпитаксиально (слой за слоем) вырастить 160 периодов (усиливающих модулей), каждый из которых содержит 4 квантовые ямы с толщинами слоев от 3 до 7 нм. Длительность роста таких сложных структур превышает 10 часов, и в течение этого времени нужно “выдержать” толщины и состав полупроводниковых слоев с точностью 1—2 %», — объяснил Рустам Хабибуллин.
В исследовании ученые создали двухфотонный квантово-каскадный лазер с четырьмя квантовыми ямами в периоде. Квантовые ямы образуют дискретную энергетическую структуру, благодаря которой генерируется излучение. В квантово-каскадных лазерах квантовые ямы являются слоями полупроводниковых материалов с различными ширинами запрещенных зон. Расположение и ширина квантовых ям определяют длину волны и мощность излучения.
«В совместной работе с нашими белорусскими коллегами из БГУ (Дмитрием Ушаковым и Александром Афоненко) были разработаны зонные дизайны ТГц квантово-каскадных лазеров с испусканием двух фотонов в одном усиливающем модуле. Расчеты белорусских коллег показали, что в таких системах нелинейное усиление лазера значительно медленнее насыщается с ростом плотности фотонов по сравнению с традиционными однофотонным лазерами», — поделился Рустам Хабибуллин.
Рисунок 1. Диаграммы зон проводимости и квадраты модулей волновых функции оптимизированной двухфотонной конструкции. Источник: Journal of Applied Physics
Двухфотонный квантово-каскадный лазер, работающий на предложенном зонном дизайне, достигает выходной мощности единицы мВт. В этом лазере возможна генерация излучения в разных частотных диапазонах за счет управления частотой каждого из двух фотонов.
Физики исследовали у созданного лазера вольт-амперную характеристику и зависимости интегральной интенсивности излучения от тока накачки при различных температурах и режимах. Результаты показали, что возможна частотная перестройка лазерных мод. При изменении температуры образуется сдвиг частоты на 6 ГГц к низким частотам. За счет изменения тока накачки происходит сдвиг частоты на 4,5 ГГц в область высоких частот. Суммарный сдвиг частот излучения равен 10 ГГц при изменениях температуры и тока.
Разработанный ТГц квантово-каскадный лазер также работает в режиме непрерывной волны в двух частотных диапазонах. Это значит, что лазер одновременно излучает две разные частоты. Такое усовершенствование позволит проводить мониторинг сразу за несколькими линиями поглощения.
Рисунок 2. Настройка частоты при увеличении (а) температуры (I = 120 мА, пироэлектрический детектор) и (б) тока (T = 12 К, фотодетектор Ge:Ga). Источник: Journal of Applied Physics
«Теперь мы бы хотели научиться проектировать и изготавливать одномодовые ТГц квантово-каскадные лазеры с непрерывной генерацией за счет использования распределенной обратной связи. Такие лазеры позволяют подавить «паразитные» моды резонатора Фабри-Перо и “сконцентрировать” всю энергию в одной спектральной линии. Это откроет большие возможности по использованию наших лазеров в спектроскопических задачах», — поделился Рустам Хабибуллин.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В. Г. Мокерова РАН, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, Научно-технического центра «Субмикронные гетероструктуры для микроэлектроники» РАН, Академического университета им. Ж. И. Алферова и ННГУ им. Лобачесвкого. Над разработкой зонного дизайна ТГц квантово-каскадных лазеров работали ученые из Белорусского Государственного университета. Команда из МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством Антона Иконникова и команда из ИФМ РАН (Нижний Новгород) под руководством Владимира Гавриленко исследовали характеристики лазера.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда 23-19-00436. Рост гетероструктуры квантово-каскадного лазера выполнен в рамках проекта Российского научного фонда 21-72-30020.
