RU2786350C1 - Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы во внешнем электрическом поле - Google Patents
Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы во внешнем электрическом поле Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786350C1 RU2786350C1 RU2022104694A RU2022104694A RU2786350C1 RU 2786350 C1 RU2786350 C1 RU 2786350C1 RU 2022104694 A RU2022104694 A RU 2022104694A RU 2022104694 A RU2022104694 A RU 2022104694A RU 2786350 C1 RU2786350 C1 RU 2786350C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- quantum
- electric field
- laser radiation
- molecule
- wavelength
- Prior art date
Links
- 230000005684 electric field Effects 0.000 title claims abstract description 12
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 4
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 4
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M Lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 2
- 230000005274 electronic transitions Effects 0.000 description 2
- 238000010585 feynman-diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 239000004054 semiconductor nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к оптонаноэлектронике, в частности к устройствам на основе квантовых молекул. Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы в электрическом поле, содержащий базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных квантовых точек - квантовую молекулу, легированную D –– и A +–центрами, с квантовыми точками на основе GaAs радиусами 20 нм и 200 нм, с амплитудой потенциала конфайнмента 0,2 эВ и 0,35 эВ соответственно и длиной волны двухфотонной накачки λ=80 мкм, отличающийся тем, что квантовая молекула находится во внешнем электрическом поле ~2,5×106 В/м, посредством которого осуществляется управление интенсивностью лазерного излучения в диапазоне видимого света. Технический результат – возможность перестройки длины волны лазерной генерации из инфракрасного диапазона в диапазон видимого света. 3 ил.
Description
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.
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 (см., например, заявка №96111569/25, МПК H01S3/16, 1998 г.). 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.
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 (Гусев Ю.Л. и др. Лазер в спектральном диапазоне 0.88-1.2 мкм, Письма в ЖТФ, 1977, т.3, с.305-307) на основе кристалла фторида лития с F2 + и F2 центрами окраски (ЦО), работающий при комнатной температуре. Кристаллы LiF обладают хорошими теплофизическими свойствами, F2 ЦО 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 F2 ЦО простирается от 1,0 до 1,3 мкм. Лазерную генерацию на F2 ЦО авторы получили, используя поперечную схему накачки путем передачи энергии от возбужденных F2 + ЦО. Перестройка осуществлялась от 0,88 до 1,0 мкм на F2 + ЦО и от 1,1 до 1,2 мкм на F2 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.
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 (например, патент №21843, H01S 3/08, 2002 г.). 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.
Прогресс в изготовлении многослойных структур самоорганизованных квантовых точек (КТ) соединений А3В5, 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 (патент RU №2205468, МПК H01L 21/20, 2003).
Известен лазер (преобразователь), в котором перестройка длины волны генерации осуществляется способом, основанным на неоднородном уширении электронных переходов в массиве нетождественных КТ (базовый элемент). (P.M.Varangis, H.Li. G.T.Liu, et al.: Electron. Lett, v.36, P.123 (2000)). 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.
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 D --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 А +-центр (заявка №2009143081/28, МПК H01L 33/00 (2010.01) В82В 1/00 (2006.01), 2009 г.).
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача получения возможности перестройки длины волны лазерной генерации из ИК-диапазона в диапазон видимого света.
Технический результат достигается тем, что преобразователь содержит базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных КТ - КМ, находящуюся во внешнем электрическом поле и легированную D - (отрицательно заряженные доноры) и A +-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
двухфотонный переход электрона из D--состояния в размерно-квантованные состояния КТ (а) с дискретным спектром;
На фиг.2 и 3 приведены энергетические схемы квантовой молекулы, в которой осуществляется широкодиапазонная перестройка частоты генерации ω, где D -- отрицательно заряженный донор; А +- 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.
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 (а). Далее, за счет туннельной прозрачности потенциального барьера электрон туннелирует в КТ.
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 А3В5. 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.
В предлагаемом преобразователе перестройка длины волны генерации осуществляется по следующей схеме (фиг.3): в КТ (а) происходит процесс двухфотонной накачки за счет фотоионизации D --центра с энергией фотона , где - энергия связи D --состояния, отсчитываемая от дна КТ (а); E 0 - энергия основного состояния КТ (а). Далее, поскольку правила отбора при двухфотонных переходах отличны от правил отбора в случае однофотонных переходов, происходит процесс туннелирования фотовозбужденного электрона в КТ(b) . При определенном значении напряженности электрического поля, изначально асимметричный двухъямный потенциал КМ, становится симметричным и вероятность туннелирования резко возрастает см., например (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). Оценки показывают, что для радиусов КТ 20 и 200 нм величина напряженности электрического поля, необходимая для выравнивания асимметричного двухъямного потенциала ~2,5×106 В/м. В КТ (b) электрон «сбрасывает» свою энергию кристаллической решетке и оказывается вблизи дна КТ (b) , имеющей квазинепрерывный спектр. Т.к. КТ (б) легирована А+-центром, то следующим процессом является излучательный переход электрона на А+-центр . Оценка длины волны излучаемого фотона λ 1 (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.
Claims (1)
- Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы в электрическом поле, содержащий базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных квантовых точек - квантовую молекулу легированную D –– и A +–центрами, с квантовыми точками на основе GaAs радиусами 20 нм и 200 нм, с амплитудой потенциала конфайнмента 0,2 эВ и 0,35 эВ соответственно и длиной волны двухфотонной накачки λ=80 мкм, отличающийся тем, что квантовая молекула находится во внешнем электрическом поле ~2,5×106 В/м, посредством которого осуществляется управление интенсивностью лазерного излучения в диапазоне видимого света.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2786350C1 true RU2786350C1 (ru) | 2022-12-20 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2205468C1 (ru) * | 2002-07-09 | 2003-05-27 | Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН | Способ изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках и светоизлучающая структура |
CN1925175A (zh) * | 2005-08-31 | 2007-03-07 | 中国科学院半导体研究所 | 一种大功率半导体量子点激光器材料的外延生长方法 |
RU2444811C2 (ru) * | 2009-11-24 | 2012-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "РОТОР" (ООО НПП "РОТОР") | Преобразователь на основе квантовых молекул |
RU2500715C2 (ru) * | 2011-11-18 | 2013-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Люмен" (ООО "Люмен") | Люминесцентный композитный материал и светоизлучающее устройство на его основе |
RU2689970C1 (ru) * | 2018-05-23 | 2019-05-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ создания активной среды на основе полупроводниковых люминесцентных нанокристаллов в полимерной матрице |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2205468C1 (ru) * | 2002-07-09 | 2003-05-27 | Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН | Способ изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках и светоизлучающая структура |
CN1925175A (zh) * | 2005-08-31 | 2007-03-07 | 中国科学院半导体研究所 | 一种大功率半导体量子点激光器材料的外延生长方法 |
RU2444811C2 (ru) * | 2009-11-24 | 2012-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "РОТОР" (ООО НПП "РОТОР") | Преобразователь на основе квантовых молекул |
RU2500715C2 (ru) * | 2011-11-18 | 2013-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Люмен" (ООО "Люмен") | Люминесцентный композитный материал и светоизлучающее устройство на его основе |
RU2689970C1 (ru) * | 2018-05-23 | 2019-05-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ создания активной среды на основе полупроводниковых люминесцентных нанокристаллов в полимерной матрице |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Park et al. | Colloidal quantum dot lasers | |
Liu et al. | Robust subwavelength single-mode perovskite nanocuboid laser | |
Belyanin et al. | Infrared generation in low-dimensional semiconductor heterostructures via quantum coherence | |
WO2013018824A1 (ja) | 量子カスケードレーザー素子 | |
US9484715B2 (en) | Quantum-cascade laser | |
Hisyam et al. | PMMA-doped CdSe quantum dots as saturable absorber in a Q-switched all-fiber laser | |
Liu et al. | Recent advances of low-dimensional materials in lasing applications | |
Amini et al. | Multi-wavelength solution-processed quantum dot laser | |
Yu et al. | Narrow linewidth CsPbBr3 perovskite quantum dots microsphere lasers | |
Kastalsky et al. | A dual-color injection laser based on intra-and inter-band carrier transitions in semiconductor quantum wells or quantum dots | |
Zhang et al. | Low-Threshold Single-Mode Microlasers from Green CdSe/CdSeS Core/Alloyed-Crown Nanoplatelets | |
RU2786350C1 (ru) | Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы во внешнем электрическом поле | |
JP4421319B2 (ja) | レーザ装置及びレーザ発振方法 | |
Harrison et al. | Population-inversion and gain estimates for a semiconductor TASER | |
US6728282B2 (en) | Engineering the gain/loss profile of intersubband optical devices having heterogeneous cascades | |
RU2444811C2 (ru) | Преобразователь на основе квантовых молекул | |
Cao | Research progress in terahertz quantum cascade lasers | |
Chen et al. | Surface plasmon enhanced single-mode lasing of all inorganic perovskite microdisks | |
Waried | Modulation response and relative intensity noise spectra in quantum cascade lasers | |
Ong et al. | Wet‐chemically synthesized colloidal semiconductor nanostructures as optical gain media | |
CN112821201B (zh) | 超宽带波长可动态切换的定向单模片上激光器实现方法 | |
Feldmann | Taming the tiniest of lasers: Electrically pumped amplified spontaneous emission from nanocrystals | |
Nahaei et al. | Switchable Ultra-Wideband All-Optical Quantum Dot Reflective Semiconductor Optical Amplifier. Nanomaterials 2023, 13, 685 | |
Danelyus et al. | Parametric excitation of continuously tunable visible picosecond pulses | |
Jiang | Design and Development of Hybrid Halide Perovskites in Laser Devices |