RU2813170C1 - Способ перестройки частоты терагерцового квантово-каскадного лазера - Google Patents
Способ перестройки частоты терагерцового квантово-каскадного лазера Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813170C1 RU2813170C1 RU2023106371A RU2023106371A RU2813170C1 RU 2813170 C1 RU2813170 C1 RU 2813170C1 RU 2023106371 A RU2023106371 A RU 2023106371A RU 2023106371 A RU2023106371 A RU 2023106371A RU 2813170 C1 RU2813170 C1 RU 2813170C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- tuning
- quantum cascade
- terahertz
- qcl
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 MOS hydride Chemical class 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к технологии создания терагерцовых квантово-каскадных лазеров с возможностью перестройки частоты генерации излучения. Способ перестройки частоты генерации терагерцового квантово-каскадного лазера, который заключается в изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды за счет изменения показателя преломления в перестроечном элементе при приложении внешнего электрического поля, который оптически связан с резонатором квантово-каскадного лазера, при этом ширина лазерного полоска терагерцового квантово-каскадного лазера меньше длины волны терагерцового излучения, а перестроечный элемент обладает ярко выраженной зависимостью показателя преломления от приложенного электрического поля в терагерцовой области спектра и расположен на расстоянии не более 10 мкм от резонатора терагерцового квантово-каскадного лазера. Технический результат – упрощение схемы, в которой отсутствуют механически подвижные части. 1 ил.
Description
Изобретение относится к технологии создания терагерцовых квантово-каскадных лазеров (ТГц ККЛ) с возможностью перестройки частоты генерации излучения. Данный способ позволяет перестраивать частоту излучения при постоянных температуре и токе через лазер. Возможность перестройки частоты излучения в достаточно широких пределах является необходимым условием для применения лазеров данной конструкции в спектроскопии.
Наиболее простые способы перестройки частоты генерации ТГц ККЛ основаны на использовании зависимости показателя преломления активной среды лазера от температуры, а также зависимости положения максимума контура усиления лазера от приложенного к нему напряжения [Vitiello M. S., Tredicucci A. Tunable emission in THz quantum cascade lasers //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2011. – Т. 1. – №. 1. – С. 76-84.]. Такие методы характеризуются относительно невысокими коэффициентами перестройки: несколько десятков МГц/К по температуре (что на два порядка меньше, чем в случае ККЛ инфракрасного диапазона) и несколько МГц/мА по току. Данные коэффициенты не могут обеспечить широкий диапазон перестройки, обычно ограничивающийся несколькими гигагерцами. Кроме того, перестройка изменением температуры оказывается весьма медленной и приводит к сильному гашению генерации при температурах более 100 К, а перестройка прикладываемым напряжением/током носит скачкообразный характер. В связи с этими недостатками были разработаны различные способы перестройки частоты ТГц ККЛ с использованием специализированных конструкций.
Известен способ [Hempel M. et al. Fast continuous tuning of terahertz quantum-cascade lasers by rear-facet illumination //Applied Physics Letters. – 2016. – Т. 108. – №. 19. – С. 191106.] непрерывной перестройки частоты ТГц ККЛ, основанный на изменении показателя преломления активной среды лазера и её эффективной длины путём освещения заднего торца ККЛ лазерным диодом ближнего инфракрасного диапазона. Диапазон непрерывной перестройки достигал 9 ГГц. К недостаткам описанного способа можно отнести снижение выходной мощности ККЛ при увеличении мощности излучения лазерного диода, а также дополнительные затраты охлаждающей мощности.
Принципиально схожий способ, предложенный в работе [Ohtani K., Beck M., Faist J. Electrical laser frequency tuning by three terminal terahertz quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. – 2014. – Т. 104. – №. 1. – С. 011107.], также основан на изменении показателя преломления активной среды ККЛ внешним электрическим полем. В данном способе это поле возникает в структуре транзистора с высокой подвижностью электронов, интегрированного в подложку ККЛ. Недостатками данного способа являются небольшой диапазон перестройки в 2 ГГц, а также большая чувствительность характеристик устройства к качеству производства.
Нелинейные эффекты также могут быть использованы для перестройки частоты ТГц ККЛ. В работе [Qian X. et al. Frequency tuning of THz quantum cascade lasers //Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications VIII. – SPIE, 2015. – Т. 9362. – С. 127-132.] описан способ перестройки частоты излучения ККЛ с использованием смешения частот излучения ККЛ и внешнего СВЧ излучения. Такой способ обеспечивает непрерывную перестройку частоты в диапазоне до 100 ГГц, при этом сохраняется хорошее качество пучка и одномодовый характер излучения ККЛ. Основным недостатком этого способа является крайне низкая выходная мощность, связанная с низким коэффициентом преобразования мощности нелинейного процесса смешения.
Известны также способы перестройки частоты излучения ТГц ККЛ с использованием пары лазеров, оптически связанных при помощи нанесённых на их поверхность фотонно-кристаллических решёток. Так, в способе, предложенном в работе [Kundu I. et al. Continuous frequency tuning with near constant output power in coupled Y-branched terahertz quantum cascade lasers with photonic lattice //ACS Photonics. – 2018. – Т. 5. – №. 7. – С. 2912-2920], моды двух ТГц ККЛ взаимодействовали через воздушный промежуток по принципу Вернье. С учётом этой связи независимое изменение напряжения на каждом из лазеров приводило к непрерывной перестройке частоты излучения всей системы в диапазоне до 19 ГГц. Достоинством этого способа также является практически неизменная выходная мощность во всём диапазоне перестройки.
Одним из наиболее распространённых способов перестройки частоты лазеров является использование внешнего резонатора. В работе [Lee A. W. M. et al. Tunable terahertz quantum cascade lasers with external gratings //Optics letters. – 2010. – Т. 35. – №. 7. – С. 910-912.] реализован способ перестройки частоты ТГц ККЛ при помощи внешнего резонатора, формируемого торцом ККЛ и внешней дифракционной решёткой. Диапазон скачкообразной перестройки частоты ККЛ достигал 165 ГГц, непрерывная же перестройка ограничивалась 9 ГГц. Принципиальные трудности в данном способе вызывает необходимость фокусировки пучка, отражённого от дифракционной решётки, обратно в резонатор ККЛ размером меньше длины волны излучения. В связи с этим предъявляются значительные требования к качеству используемых оптических элементов, таких как линза, антиотражающее покрытие, а также к самому пучку.
Другой способ [Castellano F. et al. Tuning a microcavity-coupled terahertz laser //Applied Physics Letters. – 2015. – Т. 107. – №. 26. – С. 261108.] позволяет перестраивать ТГц ККЛ с распределённой обратной связью второго порядка, которая формируется периодическими парными прорезями в верхней обкладке лазерного полоска. Этот способ также основан на использовании внешнего резонатора, который примыкает к резонатору ККЛ и формируется верхней обкладкой лазерного полоска и внешним металлическим зеркалом, параллельным ей. Перестройка частоты ККЛ оказывается возможной за счёт взаимодействия мод резонатора ККЛ с модами внешнего резонатора, размер которого изменяется подвижным зеркалом, посредством системы обратной связи. При использовании данного способа был достигнут диапазон непрерывной перестройки в 162 ГГц.
Известен способ [Curwen C. A., Reno J. L., Williams B. S. Broadband continuous single-mode tuning of a short-cavity quantum-cascade VECSEL //Nature Photonics. – 2019. – Т. 13. – №. 12. – С. 855-859.] перестройки частоты ТГц ККЛ особой конструкции – поверхностно излучающего ККЛ с внешним вертикальным резонатором. Такой лазер представляет собой конструкцию из активной метаповерхности со множеством лазерных полосков и выходного окна с высоким коэффициентом отражения, формирующего внешний резонатор. Широкий диапазон непрерывной перестройки в таких лазерах (до 880 ГГц) достигается за счёт работы активной метаповерхности на низших модах резонатора Фабри-Перо (m = 2), что значительно увеличивает диапазон свободной перестройки без перескока по модам. Подобный режим работы возможен благодаря очень короткому резонатору в комбинации с высокоотражающим зеркалом. В процессе перестройки сохраняются высокий уровень выходной мощности и хорошая форма пучка в дальнем поле в силу того, что излучательная апертура, в отличие от лазеров с торцевым излучением, в данном случае имеет порядок миллиметров.
Также существует способ [US 8532152 B2] перестройки частоты ТГц ККЛ, принятый за прототип, основанный на изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды. Продольная компонента волнового вектора фиксировалась путём создания распределённой обратной связи, в то время как поперечная компонента изменялась. Для этого использовался «проволочный» ККЛ, поперечное сечение которого много меньше длины волны излучения, и составляет порядка одной трети длины волны. Такая конструкция приводит к тому, что значительная часть поля моды выходит за пределы волновода, давая возможность эффективно влиять на неё путём приближения к боковой поверхности ККЛ металлического или диэлектрического плунжера. Таким образом была достигнута величина диапазона непрерывной перестройки в 137 ГГц, в последующих работах увеличенная до 330 ГГц за счёт уменьшения размера поперечного сечения ККЛ. К недостаткам данного способа относится сложное поведение выходной мощности в процессе перестройки и ее невысокий уровень, что является результатом сокращения размера апертуры.
Техническим результатом изобретения является конструктивно простой способ перестройки частоты ТГц ККЛ, в котором отсутствуют механически подвижные части. В предложенном способе для перестройки частоты ТГц ККЛ необходимо приложить напряжение смещения к перестроечному элементу, что требует использования стандартного блока питания. Кроме того, предложенный способ может быть реализован в ранее изготовленных ТГц ККЛ, что позволит улучшить характеристики данных приборов и сделать их более востребованными для прикладных задач.
Способ перестройки частоты излучения ТГц ККЛ основан на изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды с помощью перестроечного элемента, который должен быть оптически связан с резонатором лазера, т.е. лазерная мода должна пространственно перекрываться с перестроечным элементом. Такого рода оптическая связь может быть достигнута, когда ширина лазерного полоска ТГц ККЛ будет много меньше длины волны ТГц излучения в активной области лазера, что приведет к “вытеканию” лазерной моды из резонатора. Кроме того, для обеспечения существенного пространственного перекрытия лазерной моды и перестроечного элемента необходимо располагать перестроечный элемент на расстоянии менее 10 мкм от резонатора ТГц ККЛ (фиг. 1). В такой конфигурации появляется возможность изменять поперечную компоненту волнового вектора лазерной моды за счет изменения показателя преломления в перестроечном элементе при приложении внешнего электрического поля. Предпочтительнее использовать для перестроечного элемента материалы с ярко выраженной зависимостью показателя преломления от приложенного электрического поля в ТГц диапазоне, поскольку это позволит добиться максимальной перестройки частоты излучения ТГц ККЛ. В качестве таких материалов могут использоваться примесные полупроводники, полупроводниковые материалы с модулированным легированием и квантовыми ямами, сегнетоэлектрики и др.
Фиг. 1. Принципиальная схема ТГц ККЛ с перестроечным элементом, состоящая из:
поз. 1 – подложка;
поз. 2 – ТГц ККЛ;
поз. 3 – перестроечный элемент;
поз. 4 – напряжение смещение к ТГц ККЛ;
поз. 5 – напряжение смещение к перестроечному элементу;
поз. 6 – распределение интенсивности ТГц поля.
Пример 1
Терагерцовый квантово-каскадный лазер (ТГц ККЛ) с полосковой геометрией формируется на основе многослойной GaAs/AlGaAs или InGaAs/InAlAs гетероструктуры, выращенной методом молекулярно-лучевой или МОС-гидридной эпитаксии. Перестроечный элемент с контактными площадками для приложения внешнего электрического поля формируется рядом с резонатором ТГц ККЛ. При этом:
1) Ширина лазерного полоска ТГц ККЛ должна быть много меньше длины волны ТГц излучения в активной области лазера, что приведет к “вытеканию” лазерной моды из резонатора;
2) Перестроечный элемент должен быть оптически связан с резонатором ТГц ККЛ, чтобы лазерная мода пространственно перекрывалась с перестроечным элементом, т.е. перестроечный элемент должен располагается на расстоянии менее 10 мкм от резонатора ТГц ККЛ;
3) Перестроечный элемент должен иметь ярко выраженную зависимость показателя преломления от приложенного электрического поля в терагерцовом диапазоне, т.е. перестроечный элемент должен быть основан на примесных полупроводниках, полупроводниковых материалах с модулированным легированием и квантовыми ямами или сегнетоэлектриках.
4) Перестройка частоты генерации ТГц ККЛ должна осуществляться приложением напряжение смещения к перестроечному элементу.
Claims (1)
- Способ перестройки частоты генерации терагерцового квантово-каскадного лазера, который заключается в изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды за счет изменения показателя преломления в перестроечном элементе при приложении внешнего электрического поля, который оптически связан с резонатором квантово-каскадного лазера, при этом ширина лазерного полоска терагерцового квантово-каскадного лазера меньше длины волны терагерцового излучения, а перестроечный элемент обладает ярко выраженной зависимостью показателя преломления от приложенного электрического поля в терагерцовой области спектра и расположен на расстоянии не более 10 мкм от резонатора терагерцового квантово-каскадного лазера.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2813170C1 true RU2813170C1 (ru) | 2024-02-07 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2344528C1 (ru) * | 2007-04-16 | 2009-01-20 | Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
RU2478243C1 (ru) * | 2011-11-11 | 2013-03-27 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | Частотно-перестраиваемый источник когерентного излучения дальнего инфракрасного и терагерцового диапазона на полупроводниковой наногетероструктуре |
US9418648B1 (en) * | 2014-10-18 | 2016-08-16 | Boris G. Tankhilevich | Effective generation of ultra-high frequency sound in conductive ferromagnetic material |
WO2020146213A1 (en) * | 2019-01-10 | 2020-07-16 | Magtera, Inc. | Coherent terahertz magnon laser and coherent terahertz communication system |
RU2742569C1 (ru) * | 2020-05-29 | 2021-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Осциллятор для генератора терагерцового излучения |
RU2752019C1 (ru) * | 2020-12-03 | 2021-07-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ генерации непрерывного когерентного излучения с частотой 2,52 тгц |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2344528C1 (ru) * | 2007-04-16 | 2009-01-20 | Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
RU2478243C1 (ru) * | 2011-11-11 | 2013-03-27 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | Частотно-перестраиваемый источник когерентного излучения дальнего инфракрасного и терагерцового диапазона на полупроводниковой наногетероструктуре |
US9418648B1 (en) * | 2014-10-18 | 2016-08-16 | Boris G. Tankhilevich | Effective generation of ultra-high frequency sound in conductive ferromagnetic material |
WO2020146213A1 (en) * | 2019-01-10 | 2020-07-16 | Magtera, Inc. | Coherent terahertz magnon laser and coherent terahertz communication system |
RU2742569C1 (ru) * | 2020-05-29 | 2021-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Осциллятор для генератора терагерцового излучения |
RU2752019C1 (ru) * | 2020-12-03 | 2021-07-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ генерации непрерывного когерентного излучения с частотой 2,52 тгц |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4857027B2 (ja) | レーザ素子 | |
Kapsalidis et al. | Dual-wavelength DFB quantum cascade lasers: sources for multi-species trace gas spectroscopy | |
US20160352072A1 (en) | Monolithic tunable terahertz radiation source using nonlinear frequency mixing in quantum cascade lasers | |
JP2000507744A (ja) | Qスイッチ半導体レーザ | |
Müller et al. | Efficient, high brightness 1030 nm DBR tapered diode lasers with optimized lateral layout | |
Müller et al. | DBR tapered diode laser with 12.7 W output power and nearly diffraction-limited, narrowband emission at 1030 nm | |
Hasler et al. | 5-W DBR tapered lasers emitting at 1060 nm with a narrow spectral linewidth and a nearly diffraction-limited beam quality | |
US20080212635A1 (en) | High efficiency distributed feedback (dfb) laser with low-duty cycle grating | |
Lang et al. | Advances in narrow linewidth diode lasers | |
EP1696527A2 (en) | Low loss grating for high efficiency wavelength stabilized high power lasers | |
Li et al. | Dual wavelength semiconductor laser based on reconstruction-equivalent-chirp technique | |
WO2022038175A1 (en) | Cascade lasers | |
Zink et al. | Monolithic master oscillator tilted tapered power amplifier emitting 9.5 W at 1060 nm | |
RU2813170C1 (ru) | Способ перестройки частоты терагерцового квантово-каскадного лазера | |
Li et al. | A review of external cavity-coupled quantum dot lasers | |
Yuan et al. | Dual-wavelength DFB laser array based on sidewall grating and lateral modulation of the grating coupling coefficient | |
Hofling et al. | Device performance and wavelength tuning behavior of ultra-short quantum-cascade microlasers with deeply etched Bragg-mirrors | |
Kim et al. | Wavelength scaling of widely-tunable terahertz quantum-cascade metasurface lasers | |
Guan et al. | High power tapered sampling grating distributed feedback quantum cascade lasers | |
Curwen et al. | Broadband continuous tuning of a thz quantum-cascade vecsel | |
Liu et al. | Development of low power consumption DFB quantum cascade lasers | |
Guan et al. | Continuous-wave distributed Bragg reflector quantum cascade lasers with fine single-mode tuning up to 102° C at λ∼ 8.4 μm | |
Mahler et al. | Quantum cascade laser: a compact, low cost, solid-state source for plasma diagnostics | |
Gao et al. | Two-segment gain-coupled distributed feedback laser | |
Alharthi et al. | 1305-nm Quantum Dot Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser |