Квантовые каскадные лазеры

квантовые каскадные лазеры на сверхрешетках, работающие на переходах между подзонами одной и той же зоны проводимости. Излучения различных каскадных лазеров лежат в диапазоне λ = 2, 5–13 мкм, т.е. перекрывают окна прозрачности атмосферы. Лазеры работают при температурах от криогенных до комнатных, как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

В рассматриваемом примере активные области состоят из трех туннельно связанных квантовых ям (InGaAs), разделенных тонкими AlInAs-барьерами. Инжекторы представляют собой сверхрешетки из тех же материалов. Активные области и инжекторы чередуются, образуя каскад из нескольких десятков ступеней (обычно в каскад входит 25–30 ступеней). В квантовых ямах активных областей уровень 2 (квантовое число n = 2) и уровень 3 (n = 3) – первый и второй возбужденные уровни, уровень 1 (n = 1) – основной. Уровни уширены вследствие наличия электрического поля Е (величина Е достигает 105 В/см). Это поле создает также наклон энергетического профиля зоны проводимости.

Лазерное излучение испускается в активных областях при переходах 3→ 2 (вертикальная стрелка на рис. 4.15), для чего необходима инверсная населенность уровня 3. Инверсия населенности соответствует большему числу электронов на уровне 3, чем на уровне 2. Для этого толщины слоев выбирают так, чтобы, во-первых, переход 2→ 1 был быстрым и безызлучательным, то есть время жизни электронов на уровне 2 было малым и он быстро опусто- шался; во-вторых, с уровня 3 наиболее вероятным был излучательный пере- ход на уровень 2 и время жизни электрона на уровне 3 было много больше, чем на уровне 2. При этих условиях создается инверсная населенность на уровне 3 и возможна генерация.

Для непрерывной работы лазера необходимо постоянно инжектировать электроны на уровни 3 и отводить их с уровней 1. Инжекция и отвод осуще- ствляются через инжекторные области посредством резонансного туннелиро- вания через входной и выходной барьеры.