Научная группа, которую возглавляли физики Принстонского Университета (Princeton University), открыли принципиально новый механизм лазерной генерации в полупроводниковых материалах. Открытие может привести к созданию лазеров с гораздо более высоким КПД, работающих при более высоких температурах по сравнению с устройствами, существующими на сегодня.

Руководила научной группой, сделавшей столь важное открытие, Клер Гмахл (Claire Gmachl) – по специальности инженер-электрик, а по должности – директор научно-исследовательского центра the Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment (http://www.mirthecenter.org/) при Принстонском Университете. Результаты исследований опубликованы в декабрьском номере интернет-издания журнала Nature Photonics (Kale J. Franz, Stefan Menzel, Anthony J. Hoffman, Dan Wasserman, John W. Cockburn, Claire Gmachl. High : k: -space lasing in a dual-wavelength quantum cascade laser, – Nature Photonics (14 Dec 2008), doi: 10.1038/nphoton.2008.250, Letter). Авторы отмечают, что описанные лазеры могут найти широкое поле применений в медицинской диагностике и мониторинге окружающей среды.

Квантово-каскадные лазеры являются очень маленькими, но высокоэффективными источниками излучения в среднем ИК-диапазоне (Фото: Frank Wojciechowski)

Лазер, с которым работали Принстонские исследователи, представляет собой особый тип устройств, называемых квантово-каскадными лазерами. Размеры образца, изготовленного в нано-производстве Университета, всего около 0,1 толщины человеческого волоса в поперечнике и 3 мм в длину. Невзирая на столь небольшие размеры, лазер представляет собой сложное устройство, изготовленное из сотен слоев различных полупроводниковых материалов. Каждый из этих слоев имеет толщину всего в несколько атомов. В таком устройстве электроны каскадно (подобно электронному водопаду) «спускаются» через все слои, по мере того, как теряют энергию, отдавая синхронизированные фотоны.

Cравнение механизмов лазерной генерации в «нормальном» полупроводниковом лазере и квантово-каскадном лазере

В предыдущих работах принстонские исследователи сообщали о том, что в квантово- каскадном лазере, который они разработали, неожиданно обнаружен второй лазерный пучок, имеющий несколько меньшую длину волны, чем основной пучок излучения. Последующие работы различных групп, получивших сходные результаты, показали, что появление второго пучка не может быть объяснено ни одной из существующих на данный момент времени теорий квантово-каскадных лазеров. В отличие от традиционных полупроводниковых лазеров, второй пучок излучения усиливается по мере увеличения температуры до определенной точки. Далее, обнаружены и другие отличия квантово-каскадных лазеров от «нормальных» полупроводниковых лазеров, например, при увеличении электрического тока, излучение первого уменьшается, в то время, как для традиционных лазеров характерно его усиление. Стало очевидно, что обнаружен совершенно новый механизм излучения в полупроводниковых лазерах.

Для объяснения подобного механизма, ученые привлекли известное квантовое свойство электрона, называемое импульсом (в квантовой механике импульсом частицы называют оператор – генератор группы трансляций). С точки зрения традиционных квантово-каскадных лазеров только электроны, имеющие импульс порядка нуля, участвуют в лазерной генерации излучения. Более того, значительное количество электронов должно занимать тот же самый уровень энергии с тем, чтобы импульс системы был в определенном, так называемом квази равновесии. Только после создания подобной населенности уровней генерация излучения становится возможной. Согласно результатам, полученным группой Клер Гмахл, становится очевидным совершенно иное- второй пучок излучения генерируется от электронов с более низкой энергией, но более высоким импульсом, который не был к этому моменту в равновесии. Таким образом, было показано, что электроны участвуют в процессе лазерной генерации излучения даже не будучи в состоянии равновесия.

Новое лазерное явление имеет ряд интересных особенностей. Например, в традиционном лазере, основанном на механизме электронов с низким импульсом, эти электроны часто вновь поглощают испущенные фотоны, что существенно понижает эффективность системы. В новом типе лазеров вторичное поглощение фотонов снижено на 90%. Это потенциально может дать возможность использовать меньший рабочий ток и делает лазер более термостабильным. Характеристики лазеров могут быть существенно усилены.

В устройстве, которое создали и испытали принстонские исследователи, не достигнут высокий уровень эксплуатационных параметров, поскольку в образце по-прежнему доминируют традиционный, низко-эффективный механизм лазерной генерации. Для того, чтобы получить все возможные достоинства нового лазера, традиционный механизм должен быть подавлен. Группа начала исследования в данном направлении.

В отличие от других лазеров квантово-каскадные генераторы излучают в средней и дальней ИК областях спектра, что делает их серьезными кандидатами для использования в устройствах обнаружения и распознавания даже очень незначительных следов испарения воды, а также обнаружения следов аммиака, оксидов азота и других газов, поглощающих инфракрасное излучение. Как результат, подобные устройства уже начали применяться в ряде приложений, связанных с контролем качества, в медицинской диагностике, в системах безопасности, а также ряде других областей, где требуется исключительно высокая чувствительность обнаружения различныъ химических веществ.

Квантово-каскадный лазер в мониторинге загрязнения окружающей среды

Евгений Биргер