CN1440097A - 基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法 - Google Patents

基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法 Download PDF

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Abstract

基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法属于半导体激光器应用技术领域。步骤如下：调节一个三量子点耦合系统内的耦合条件，获得激子基态能级；再调节另一个三量子点耦合系统内部耦合条件，使两个三量子点耦合系统激子分立基态能级的差值属于太赫兹远红外波段范围，满足要求得到远红外激发光光子能量；将两个三量子点耦合系统用弱耦合层隔离，调节耦合距离，获得起振条件；将用弱耦合层隔离的两个三量子点耦合系统的两个端面抛光形成光学共振腔，完成太赫兹远红外激光器结构设计；选择不同材料的三量子点耦合系统，经过以上步骤就能得到太赫兹远红外激光。本发明在工艺技术成熟的条件下，具有原理新颖简单、设计灵活方便、实用性强的特点。

Description

基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法
技术领域
本发明涉及的是一种产生激光的方法，特别是一种基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法，属于半导体激光器应用技术领域。
背景技术
20世纪中期开始，激光器在现代工业革命中扮演着越来越重要的角色，从集成电路的光刻工艺到光纤通讯的信息载体，从军事侦察的手段到分子结构的检测工具，激光器已经被广泛应用到生活、军事、科研等众多领域。目前，激光器的种类较多，所能获得激发光波长也几乎涵盖了紫外到中红外波段。自然科学已有的研究成果证实了许多化学和物理过程的响应时间在太赫兹(THz，～1012Hz)波段，如凝聚态物质的声子频率、大分子(包括蛋白质等生物分子)的振动光谱均在THz波段有很多特征峰，凝聚态物质和液体中的载流子对THz辐射也有非常灵敏的响应。THz波段对应的波长范围为30-3000μm，是连接远红外和微波的桥梁。THz辐射在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景，如各种超快过程探测、宽带通讯、高速光电子器件、材料表征、无标记生物芯片、医学诊断等等。因此，为了进一步深入开展研究，学术界非常希望获得THz/远红外波段激光器。
目前在如何获得激发光波长小于30m的激光器方面已经取得了比较大的进展，但是若想利用现有比较成熟的砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)半导体材料获得激发光能量小于其剩余射线吸收带低能端能量的远红外(≥50μm)激光器还是非常困难的。2001年Appl.Phys.Lett.Vol。78，p2620(《美国应用物理快报》第78卷，2620页～2622页)报道了Colombelli等人利用GaAs/AlGaAs量子级联激光器结构获得了THz波段(～80μm)的远红外光辐射。这是迄今为止在实验室获得的波长最长的远红外光辐射，其原理也和通常半导体激光器原理相同，都是利用电子在半导体或半导体薄膜微结构系统中的分立能级间的跃迁辐射获得特定波长的激光。我们提出的这种基于三量子点耦合系统产生太赫兹(THz)激光的方法，有望获得波长更长的THz远红外激光，以拓展已有的激光波长范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法，可以获得波长更长的太赫兹远红外激光波长，使其能够为将来THz/远红外激光器的实用化提供理论根据。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明主要包括如下步骤：
1)调节一个三量子点耦合系统内的耦合条件，包括系统内每个量子点的大小、形状以及量子点之间的分布形状、距离，以获得合适的激子基态能级，该基态能级是分立的；
2)再调节另一个三量子点耦合系统内部的耦合条件，包括系统内每个量子点的大小、形状以及量子点之间的分布形状、距离，使得这两个三量子点耦合系统的激子分立基态能级的差值ΔE属于太赫兹远红外波段范围，满足要求得到的远红外激发光光子能量；
3)将两个三量子点耦合系统用弱耦合层隔离，调节耦合距离，以获得合适的起振条件；
4)将用弱耦合层隔离的两个三量子点耦合系统的两个端面抛光形成光学共振腔，从而完成太赫兹远红外激光器结构设计；
5)在步骤1)和2)中选择不同材料的三量子点耦合系统，经过步骤1)、2)、3)、4)就能在较宽的太赫兹远红外激光波长范围内得到所需的太赫兹远红外激光。
步骤1)和2)所用的调节方法为有效质量理论和变分方法，三量子点耦合系统是In0.5Ga0.5As/GaAs，耦合条件是单个三量子点系统内部的耦合参数。步骤2)中两个三量子点耦合系统的激子分立基态能级的差值ΔE属于太赫兹远红外波段范围。步骤3)中弱耦合层的作用是用于调节两个三量子点系统之间的耦合和隔离程度，以得到合适的起振条件。步骤4)中得到太赫兹远红外激光器的工作原理如下：注入的电子空穴对从激子基态能量高的三量子点耦合系统穿过弱耦合层进入激子基态能量低的三量子点耦合系统，并在弱耦合层内发射出光子，光子的能量等于这两个量子点耦合系统基态能量的差值，属于太赫兹远红外波段范围。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可以根据所需的太赫兹远红外激光波长，在理论上先分别确定两个三量子点耦合系统的激子基态能量，使其激子基态能量差满足所要求的远红外激发光光子能量，完成该类型的激光器前期的结构设计；同时该类型激光器的实用化可以免去已有太赫兹辐射产生装置需要用超短激光脉冲经光导天线或半导体等功能材料电光转化的步骤，因此在工艺技术成熟的条件下，具有原理新颖简单、设计灵活方便、实用性强的特点。
具体实施方式
以下提供实施例，具体如下：
1、对于一个球形量子点，等边三角形分布的三量子点系统，采用有效质量理论和变分方法调节三量子点耦合系统A-In0.5Ga0.5As/GaAs，当每个In0.5Ga0.5As/GaAs量子点的球半径r为8.0nm，等边三角形的边长a为18.2nm时，系统A的激子基态能量为1.0106eV；
2、调节另一个球形量子点，等边三角形分布的三量子点耦合系统B-In0.5Ga0.5As/GaA中的耦合条件，当每个In0.5Ga0.5As/GaAs量子点的球半径r为8.0nm，等边三角形的边长a为16.4nm时，系统B的激子基态能级为1.0019eV，由步骤1结果可知，系统A和B的激子基态能级差为0.0097eV，属于太赫兹远红外波段范围；
3、将两个三量子点耦合系统A和B用弱耦合层隔离，调节弱耦合层的厚度，以获得合适的起振条件；
4、将用弱耦合层隔离的两个三量子点耦合系统A和B的两个端面抛光形成光学共振腔，从而完成太赫兹远红外激光器结构设计。
5、按步骤1～4，在工艺技术成熟的条件下，就可以得到光子能量为0.0097eV、波长约为127.8微米的太赫兹远红外激光。

Claims (4)

1.一种基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法，其特征在于主要包括以下步骤：
1)调节一个三量子点耦合系统内的耦合条件，包括系统内每个量子点的大小、形状以及量子点之间的分布形状、距离，获得合适的激子基态能级，该基态能级是分立的；
2)再调节另一个三量子点耦合系统内部的耦合条件，包括系统内每个量子点的大小、形状以及量子点之间的分布形状、距离，使得这两个三量子点耦合系统的激子分立基态能级的差值ΔE属于太赫兹远红外波段范围，满足要求得到的远红外激发光光子能量；
3)将两个三量子点耦合系统用弱耦合层隔离，调节耦合距离，获得合适的起振条件；
4)将用弱耦合层隔离的两个三量子点耦合系统的两个端面抛光形成光学共振腔，完成太赫兹远红外激光器结构设计；
5)在步骤1)和2)中选择不同材料的三量子点耦合系统，经过步骤1)、2)、3)、4)就能在较宽的太赫兹远红外激光波长范围内得到所需的太赫兹远红外激光。
2.根据权利要求1所述的基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法，其特征是，步骤1)和2)中的调节方法为有效质量理论和变分方法，三量子点耦合系统是In0.5Ga0.5As/GaAs，耦合条件是每个量子点都是球形的，每个系统中的三个量子点都呈等边三角形分布。
3.根据权利要求1所述的基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法，其特征是，步骤1)和2)中两个三量子点耦合系统的激子分立基态能级差值ΔE为0.0097eV，属于太赫兹远红外波段范围。
4.根据权利要求1所述的基于三量子点耦合系统产生太赫兹激光的方法，其特征是，步骤3)中弱耦合层的调节两个三量子点系统之间的耦合和隔离程度，以得到合适的起振条件。
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