Терагерцовые квантово-каскадные лазеры с улучшенными характеристиками для спектроскопических приложений и систем визуализации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-19-00493

НазваниеТерагерцовые квантово-каскадные лазеры с улучшенными характеристиками для спектроскопических приложений и систем визуализации

Руководитель Дубинов Александр Алексеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова квантово-каскадный лазер, терагерцовый диапазон, квантовые ямы, гетероструктуры, молекулярно-лучевая эпитаксия, волновод, распределенная обратная связь, эффект самосмешивания

Код ГРНТИ29.33.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Квантово-каскадные лазеры, основанные на переходах электронов между уровнями внутри зоны проводимости гетероструктур GaAs/AlGaAs, являются уникальными источниками терагерцового излучения. Данные устройства работают в диапазоне частот 1.2–5.0 ТГц (без использования больших магнитных полей) в непрерывном режиме с выходной мощностью более 200 мВт [1] и в импульсном режиме с пиковой мощностью более 1 Вт. На основе различных принципов (микроэлектромеханического, использования внешнего резонатора и др.) была достигнута перестройка частоты терагерцового квантово-каскадного лазера (ТГц ККЛ) на 300 ГГц и более. Кроме того, на сегодняшний день продемонстрированы ТГц ККЛ в режиме частотной гребенки со спектральной полосой более 1 ТГц [2], а также ТГц ККЛ генерирующие импульсы пикосекундной длительности за счет активной синхронизации мод [3], что открывает перспективы по разработке ТГц спектрометров нового поколения с большим отношением сигнал/шум. Отдельно стоит отметить успехи по созданию систем терагерцовой визуализации на основе эффекта самосмешивания в ТГц ККЛ, когда удается одновременно совместить источник излучения, смеситель и когерентный детектор в одном ТГц ККЛ [4]. Актуальность задачи по созданию ТГц ККЛ с улучшенными характеристиками определяются перспективами разработки систем терагерцовой спектроскопии и визуализации на их основе. В первую очередь необходимо разрабатывать более эффективные рабочие схемы ТГц ККЛ, в которых нужно учитывать потерю когерентности при туннелировании электронов через барьер инжектора (например, использовать непрямую накачку в схемах типа “фонон-фотон-фонон”), минимизировать паразитные каналы проводимости (например, конструировать запрещенные минизоны для препятствия туннелирования электронов в континуум), а также использовать несколько механизмов для инжекции и экстракции электронов для увеличения оптического усиления. Разностороннее детальное исследование электронного транспорта в ТГц ККЛ и оптимизация дизайнов активной области разрабатываемых лазеров позволит создавать ТГц ККЛ с улучшенными характеристиками (более высокими рабочими температурами, большим динамическим диапазоном по току и напряжению, дифференциальной эффективностью и выходной мощностью, меньшей шириной линии генерации), что, в свою очередь, увеличит область применения данных приборов. Актуальными для ТГц ККЛ остаются задачи по уменьшению нерадиационных потерь и увеличению эффективности вывода излучения за счет использования новых типов резонаторов, задача по уменьшению расходимости пучка и управлению модовым составом излучения. Научная новизна поставленной задачи определяется тем, что в проекте предлагается улучшать характеристики ТГц ККЛ за счет одновременного использования специально сконструированных активных областей на основе туннельно-связанных квантовых ям GaAs/AlGaAs и резонаторов на основе плазмонного и двойного металлического волноводов с учетом требований в системах терагерцовой спектроскопии и визуализации. Авторами проекта впервые ставится задача по созданию ТГц ККЛ со специально продуманным дизайном активной области для повышения чувствительности к внешней обратной связи, что позволит усилить эффект самосмешивания. До недавнего времени в России не было ни одной научной группы, освоившей рост квантово-каскадных структур и изготовление лазеров ТГц диапазона. Участниками проекта из СПбАУ РАН, ИСВЧПЭ РАН и ИФМ РАН в 2017 г. были впервые продемонстрированы полностью изготовленные в России ТГц ККЛ на основе резонансно-фононного дизайна с двойным металлическим волноводом [5]. Для успешного применения разрабатываемых источников ТГц диапазона в системах терагерцовой спектроскопии и визуализации авторами проекта рассматривается возможность улучшения характеристик ТГц ККЛ. Проект посвящен разработке новых дизайнов активной области, электродинамических конструкций и тепловых режимов ТГц ККЛ, оптимизации технологии молекулярно-пучковой эпитаксии многослойных гетероструктрур для ТГц ККЛ с двойным металлическим и плазмонными волноводами, постростовых процедур для создания как импульсных, так и непрывных лазеров с резонаторами Фабри-Перо излучающих, как в импульсном, так и непрерывном режимах, одномодовых лазеров с распределенной обратной связью и со связанными резонаторами, исследованию электрических, спектральных (как модового состава излучения, так перестройки частоты отдельной моды в зависимости от тока, температуры) и мощностных характеристик излучения. [1] X. Wang, C. Shen et al. High-power terahertz quantum cascade lasers with ∼0.23 W in continuous wave mode. AIP Advances, 6, 075210 (2016). http://dx.doi.org/10.1063/1.4959195 [2] H. Li, P. Laffaille et al. Dynamics of ultra-broadband terahertz quantum cascade lasers for comb operation Opt. Express, 23(26), 33270 (2015). https://doi.org/10.1364/OE.23.033270 [3] A. Mottaghizadeh, D. Gacemi et al. 5-ps-long terahertz pulses from an active-mode-locked quantum cascade laser. Optica, 4(1), 168 (2017). https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000168 [4] M. Wienold, T. Hagelschuer et al. Real-time terahertz imaging through self-mixing in a quantum-cascade laser, Appl. Phys. Lett., 109, 011102 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4955405 [5] А.В. Иконников, К.В. Маремьянин, С.В. Морозов, В.И. Гавриленко, А.Ю. Павлов, Н.В. Щаврук, Р.А. Хабибуллин, Р.Р. Резник, Г.Э. Цырлин, Ф.И. Зубов, А.Е. Жуков, Ж.И. Алфёров Генерация терагерцового излучения в многослойных квантово-каскадных гетероструктурах, Письма ЖТФ, 2017, т.43, в.7, с.86-94. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.07.44473.16602

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Васильевский И.С., Зайцев А.А., Данилов А.И., Волков О.Ю., Павловский В.В., Маремьянин К.В., Гавриленко В.И. Temperature Dependences of the Threshold Current and Output Power of a Quantum-Cascade Laser Emitting at 3.3 THz SEMICONDUCTORS, Volume: 52, Issue: 11, Pages: 1380-1385 (год публикации - 2018)
10.1134/S1063782618110118

2. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Волков О.Ю., Павловский В.В., Дубинов А.А. The investigation of temperature degradation in THz quantum cascade lasers based on resonant-phonon design Proceedings - 2018 International Conference Laser Optics, ICLO 2018; St. Petersburg; Russian Federation; 4 June 2018 through 8 June 2018, Category number CFP1836X-ART, Code 138711, Article number 8435796, Page 124 (год публикации - 2018)
10.1109/LO.2018.8435796

3. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Волков О.Ю., Павловский В.В., Дубинов А.А. Terahertz quantum cascade lasers with silver- and gold-based waveguides EPJ Web of Conferences, Volume 195, Article Number 04002 (год публикации - 2018)
10.1051/epjconf/201819504002

4. Зубов Ф.И., Иконников А.В., Маремьянин К.В., Морозов С.В., Гавриленко В.И., Павлов А.Ю., Щаврук Н.В., Хабибуллин Р.А., Резник Р.Р., Цырлин Г.Э., Жуков А.Е., Дубинов А.А., Алферов Ж.И. 3 THz quantum-cascade laser with metallic waveguide based on resonant-phonon depopulation scheme EPJ Web of Conferences, Volume 195, Article Number 04007 (год публикации - 2018)
10.1051/epjconf/201819504007

5. Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Дубинов А.А., Гавриленко В.И., Васильевский И.С., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Mode loss spectra in THz quantum-cascade lasers with gold- and silver-based double metal waveguides QUANTUM ELECTRONICS, Volume 48, Number 11, pages 1005-1008 (год публикации - 2018)
10.1070/QEL16806

6. Резник Р.Р., Крыжановская Н.В., Жуков А.Е., Хребтов А.И., Самсоненко Ю.Б., Морозов С.В., Цырлин Г.Э. Structural properties of multilayer heterostructure for quantum-cascade lasers grown by MBE growth JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES (год публикации - 2018)

7. Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Дубинов А.А., Гавриленко В.И., Волков О.Ю., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Balance-equation method for simulating terahertz quantum-cascade lasers using a wave-function basis with reduced dipole moments of tunnel-coupled states Quantum Electronics, V. 49 (10), pp. 913 – 918 (год публикации - 2019)
10.1070/QEL17068

8. Хабибуллин Р., Ушаков Д., Афоненко А., Щаврук Н., Пономарев Д., Васильевский И., Сафонов Д., Дубинов А. Spectra of mode loss in THz quantum cascade laser with double metal waveguide based on Au, Cu and Ag Proceedings of SPIE, Volume 11066, 1106613 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2523284

9. Хабибуллин Р., Ушаков Д., Афоненко А., Щаврук Н., Пономарев Д., Волков О., Павловский В., Васильевский И., Сафонов Д., Дубинов А. Silver-based double metal waveguide for terahertz quantum cascade laser Proceedings of SPIE, V. 11022, 1102204 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2521774

10. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Маремьянин К.В., Волков О.Ю., Павловский В.В., Дубинов А.А. The operation of THz quantum cascade laser in the region of negative differential resistance Opto-Electronics Review, Vol. 27, Is. 4, pp. 329-333 (год публикации - 2019)
10.1016/j.opelre.2019.11.002

11. Ячменев А.Е., Пушкарев С.С., Резник Р.Р., Хабибуллин Р.А., Пономарев Д.С. Arsenides-and related III-V materials-based multilayered structures for terahertz applications: Various designs and growth technology Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, Vol. 66, Is.2, 100485 (год публикации - 2020)
10.1016/j.pcrysgrow.2020.100485

12. Ушаков Д., Афоненко А., Хабибуллин Р., Пономарев Д., Алешкин В., Морозов С., и Дубинов А. HgCdTe-based quantum cascade lasers operating in the GaAs phonon Reststrahlen band predicted by the balance equation Optics Express, Vol. 28, N. 17, pp. 25371 – 25382 (год публикации - 2020)
10.1364/OE.398552

13. Афоненко Ан.А., Афоненко А.А., Ушаков Д.В., Дубинов А.А. Analysis of Phonon Modes and Electron–Phonon Interaction in Quantum-Cascade Laser Heterostructures Semiconductors, Vol. 54, No. 8, pp. 936–940. (год публикации - 2020)
10.1134/S1063782620080023

14. Цырлин Г.Э., Резник Р.Р., Жуков А.Е., Хабибуллин Р.А., Маремьянин К.В., Гавриленко В.И., и Морозов С.В. Specific Growth Features of Nanostructures for Terahertz Quantum Cascade Lasers and Their Physical Properties Semiconductors, Vol. 54, No. 9, pp. 1092–1095. (год публикации - 2020)
10.1134/S1063782620090298

15. Долгов А.К., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Дюжиков И.Н., Глинский И.А., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Моделирование эффективности электрической накачки квантово-каскадного лазера терагерцового диапазона частот при неоднородном питании током Quantum Electronics (год публикации - 2021)

16. Волков О., Павловский В., Гундарева И., Хабибуллин Р., Дивин Ю. In Situ Hilbert-Transform Spectral Analysis of Pulsed Terahertz Radiation of Quantum Cascade Lasers by High-Tc Josephson Junctions IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY (год публикации - 2020)
10.1109/TTHZ.2020.3034815

17. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Волков О.Ю., Павловский В.В., Маремьянин К.В., Дубинов А.А. Limiting factors to the performance and operation frequency range of THz quantum cascade laser based on GaAs/AlGaAs heterostructures AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

18. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Волков О.Ю., Павловский В.В., Маремьянин К.В., Дубинов А.А. THz quantum cascade lasers based on GaAs/AlGaAs and HgCdTe material systems 19th International Conference Laser Optics (ICLO 2020) (год публикации - 2021)

Публикации