ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КВАНТОВОЙ МОЛЕКУЛЫ ВО ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
LASER RADIATION CONVERTER BASED ON A QUANTUM MOLECULE IN AN EXTERNAL ELECTRIC FIELD

Изобретение относится к оптонаноэлектронике, в частности к устройствам на основе квантовых молекул (КМ), и может быть использовано в лазерном приборостроении при создании лазеров для лазерного спектрального анализа, диагностики, фотохимии, волоконной оптики, медицины.
см., например, заявка №96111569/25, МПК H01S3/16, 1998 г.
Известны лазеры на красителях, активными веществами которых служат сложные органические соединения, обладающие системой сопряженных связей и интенсивными полосами поглощения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра (). Вынужденное излучение красителей возникает в результате переходов между различными колебательными подуровнями первого возбужденного и основного синглетных электронных состояний. Лазеры на красителях обладают значительным КПД преобразования. Их главная особенность - возможность перестройки длины волны генерируемого излучения в широком диапазоне длин волн: 330 нм - 1,8 мкм. Заменой красителей и источников накачки можно осуществить перестройку длины волны во всем спектральном диапазоне от УФ до ближнего ИК. Однако, чтобы перекрыть указанный выше диапазон, необходим набор примерно из 30 соединений.
Гусев Ю.Л. и др. Лазер в спектральном диапазоне 0.88-1.2 мкм, Письма в ЖТФ, 1977, т.3, с.305-307
2
2
2
2
2
2
2
2
+
+
+
Известны лазеры на центрах окраски - лазеры, в которых активной средой служат ионные кристаллы с центрами окраски. Центры окраски могут эффективно поглощать и испускать кванты света, т.е. являются рабочими центрами активных сред перестраиваемых лазеров. Выбором кристалла для одних и тех же центров окраски можно смещать диапазон генерируемых длин волн, перекрывая область от 0,82 мкм до 2,0 мкм. Например, перестраиваемый лазер () на основе кристалла фторида лития с F и F центрами окраски (ЦО), работающий при комнатной температуре. Кристаллы LiF обладают хорошими теплофизическими свойствами, FЦО в них стабильно работают при комнатной и более высоких температурах, они не разрушаются под действием мощного лазерного излучения, имеют широкую полосу поглощения от 0,85 до 1,1 мкм с высоким сечением абсорбционного перехода. Полоса люминесценции  FЦО простирается от 1,0 до 1,3 мкм. Лазерную генерацию на FЦО авторы получили, используя поперечную схему накачки путем передачи энергии от возбужденных F ЦО. Перестройка осуществлялась от 0,88 до 1,0 мкм на F ЦО и от 1,1 до 1,2 мкм на F ЦО. Эффективность преобразования излучения накачки в перестраиваемое излучение была низкой и составила около 0,5% от падающей энергии лазера накачки. К числу недостатков данного лазера относится низкий КПД преобразования излучения накачки в перестраиваемое излучение и узкая область перестройки.
например, патент №21843, H01S 3/08, 2002 г.
Известны лазеры на свободных электронах - генераторы электромагнитных колебаний, в которых активной средой является поток электронов, колеблющихся под действием внешнего электрического и (или) магнитного поля и перемещающихся с релятивистской поступательной скоростью в направлении распространения излучаемой волны (). Благодаря эффекту Доплера частота излучения электронов в рассматриваемых лазерах во много раз превышает частоту их колебаний. Достоинством лазера на свободных электронах является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации путем изменения скорости поступательного движения электронов. Недостаток лазера: высокие экспериментальные затраты (особенно на источник релятивистских электронов).
В большинстве рассматриваемых аналогов перестройка длины волны генерации осуществляется за счет модификации активной среды лазера, что сопряжено со значительными техническими трудностями и отсутствует возможность для преобразования ИК-диапазона в диапазон видимого света.
3
5
патент RU №2205468, МПК H01L 21/20, 2003
Прогресс в изготовлении многослойных структур самоорганизованных квантовых точек (КТ) соединений АВ, достаточно однородных по размеру и форме при большой поверхностной плотности, привел к созданию полупроводниковых лазеров с КТ в качестве активной среды. В результате спектральная область 1,0-1,7 мкм стала доступной для генерации как для лазеров традиционной конструкции, так и для лазеров с вертикальным резонатором, использующих квантовые точки InGaAs и подложки GaAs. В частности, оба типа лазеров могут генерировать излучение с длиной волны 1,3 мкм с чрезвычайно низкими пороговыми токами и высокой выходной мощностью ().
P.M.Varangis, H.Li. G.T.Liu, et al.: Electron. Lett, v.36, P.123 (2000)
Известен лазер (преобразователь), в котором перестройка длины волны генерации осуществляется способом, основанным на неоднородном уширении электронных переходов в массиве нетождественных КТ (базовый элемент). (). При некотором увеличении пороговых токов она может достигать 200 нм (от 1,033 мкм до 1,234 мкм). Однако в рассматриваемом прототипе отсутствует возможность для преобразования ИК-диапазона в диапазон видимого света.
D
А
заявка №
, МПК H01L 33/00 (2010.01) В82В 1/00 (2006.01), 2009 г.
-
+
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому преобразователь на основе КМ (базовый элемент), в котором перестройка длины волны осуществляется за счет цепочки последовательных электронных переходов. Сначала осуществляется двухфотонный переход электрона из -состояния в размерно-квантованные состояния КТ с дискретным спектром. Затем электрон туннелирует в КТ с квазинепрерывным спектром, где за счет электрон-фононного взаимодействия происходит безызлучательный переход в основное состояние КТ, откуда происходит излучательный переход на -центр (2009143081/28).
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача получения возможности перестройки длины волны лазерной генерации из ИК-диапазона в диапазон видимого света.
D
A
-
+
Технический результат достигается тем, что преобразователь содержит базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных КТ - КМ, находящуюся во внешнем электрическом поле и легированную  (отрицательно заряженные доноры) и -центрами (положительно заряженные акцепторы), с КТ на основе GaAs радиусами 20 нм и 200 нм и амплитудами потенциала конфайнмента 0,2 эВ и 0,35 эВ соответственно и длиной волны двухфотонной накачки λ=80 мкм (ИК-диапазоне).
На фиг.1 изображена фейнмановская диаграмма рассматриваемого процесса, где
-
а
двухфотонный переход электрона из D-состояния в размерно-квантованные состояния КТ () с дискретным спектром;
а
b
туннельный переход электрона из КТ () с дискретным спектром в КТ () с квазинепрерывным спектром;
b
безызлучательный переход в КТ () за счет взаимодействия с фононной модой;
b
+
излучательный переход электрона из основного состояния КТ () на А-центр.
D
А
-
+
На фиг.2 и 3 приведены энергетические схемы квантовой молекулы, в которой осуществляется широкодиапазонная перестройка частоты генерации ω, где - отрицательно заряженный донор; - положительно заряженный акцептор. В отсутствие электрического поля (фиг. 2), исходный двухъямный потенциал КМ асимметричен, но при некотором значении напряженности электрического поля происходит выравнивание потенциала КМ (фиг 3), что приводит к увеличению туннельной прозрачности потенциального барьера между КТ.
а
Как видно из диаграммы Фейнмана (фиг.1), поглощение первого фотона сопровождается переходом электрона в виртуальное состояние с последующим поглощением второго фотона, в результате которого электрон совершает оптический переход в размерно-квантовое состояние КТ (). Далее, за счет туннельной прозрачности потенциального барьера электрон туннелирует в КТ.
3
5
КМ могут выращиваться в стеклянной матрице по технологии, описанной в статье С.В. Гапоненко «Оптические процессы в полупроводниковых нанокристаллитах (квантовых точках)» // Физика и техника полупроводников. - 1996. - т.30. - №4. - с.577- 619. Это широко распространенная технология, которая заключается в приготовлении неорганического стекла, окрашенного кристаллитами соединений АВ. Этот способ тесно связан с промышленной технологией получения отрезающих и фотохромных светофильтров. Основным его преимуществом является возможность получения стабильных твердотельных квазинульмерных структур, а также доступность коммерческих образцов цветного и фотохромного стекла для широкого исследования. Поскольку в данной технологии расстояние между КТ является случайной величиной, то вероятность образования КМ достаточно велика.
а
D
D
а
E
а
b
Кревчик В.Д. Влияние диэлектрической матрицы на туннельные вольт-амперные характеристики в квантовых точках в условиях внешнего электрического поля / В.Д. Кревчик, М.Б.Семенов, Р.В. Зайцев, С.Е.Козенко, М.А.Манухина // Известия вузов. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2012. – № 2. – С.119-135
b
b
б
λ
-
-
6
+
+
0
1
В предлагаемом преобразователе перестройка длины волны генерации осуществляется по следующей схеме (фиг.3): в КТ () происходит процесс двухфотонной накачки  за счет фотоионизации -центра с энергией фотона , где  - энергия связи -состояния, отсчитываемая от дна КТ ();  - энергия основного состояния КТ (). Далее, поскольку правила отбора при двухфотонных переходах отличны от правил отбора в случае однофотонных переходов, происходит процесс туннелирования фотовозбужденного электрона в КТ() . При определенном значении напряженности электрического поля, изначально асимметричный двухъямный потенциал КМ, становится симметричным и вероятность туннелирования резко возрастает см., например(). Оценки показывают, что для радиусов КТ 20 и 200 нм величина напряженности электрического поля, необходимая для выравнивания асимметричного двухъямного потенциала ~2,5×10 В/м. В КТ () электрон «сбрасывает» свою энергию кристаллической решетке и оказывается вблизи дна КТ ()  ,  имеющей квазинепрерывный спектр. Т.к. КТ () легирована А-центром, то следующим процессом является излучательный переход электрона на А-центр . Оценка длины волны излучаемого фотона  (ширина запрещенной зоны GaAs  эВ при 300 K) дает  мкм (диапазон видимого света).
Таким образом, преобразователь на основе квантовой молекулы с характерным размером 220 нм позволяет осуществлять перестройку длины волны генерации из ИК-диапазона в диапазон видимого света. При этом интенсивность рекомбинационного излучения может быть существенно увеличена за счет резонансного туннелирования при соответствующей напряженности электрического поля.