Квантовые каскадные лазеры для систем связи, визуализации и спектроскопии в терагерцовом и среднем инфракрасном диапазонах

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 21-72-30020

НазваниеКвантовые каскадные лазеры для систем связи, визуализации и спектроскопии в терагерцовом и среднем инфракрасном диапазонах

Руководитель Соколовский Григорий Семенович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова Квантово-каскадные лазеры, терагерцовое излучение, средний инфракрасный диапазон, беспроводная оптическая связь, гиперспектральная визуализация, спектроскопия

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Квантово-каскадные лазеры (ККЛ), основанные на межподзонных переходах электронов в зоне проводимости гетероструктур на основе полупроводниковых соединений III и V групп, являются уникальными источниками излучения среднего ИК и ТГц диапазонов, в которых за счет вариации толщин слоев и выбора гетеропары можно перестраивать частоту генерации от 100 до 11 ТГц и от 5 до 1 ТГц с выходной мощностью более 1 Вт. Высокая эффективность и компактность современных ККЛ делают данные источники крайне привлекательными для широкого спектра прикладных задач, что в свою очередь накладывает определенные требования, как к характеристикам ККЛ, так и к поиску новых научно-технических решений по созданию систем на основе ККЛ. Реализация заявленного проекта позволит России занять лидирующие позиции в мире в области разработки ККЛ среднего ИК и ТГц диапазонов и их применения в системах связи, визуализации и спектроскопии. В состав творческого коллектива участников данного проекта входит автор идеи ККЛ акад. Р.А. Сурис, а также ведущие научные группы в области создания таких устройств в России из ФТИ им. Иоффе РАН, ИСВЧПЭ РАН, СПбАУ РАН им. Ж.И. Алфёрова, ИФМ РАН, НТЦ Микроэлектроники РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова. Участниками настоящего проекта созданы отечественные ККЛ как среднего ИК, так и ТГц диапазона, изготовленные и исследованные в России (рост методом молекулярно-пучковой эпитаксии, постростовой процессинг, измерение излучательных характеристик), демонстрирующие конкурентоспособные характеристики по сравнению с аналогичными по дизайну зарубежными образцами ККЛ. В частности, в ККЛ, излучающих вблизи 4.6 мкм, продемонстрирована пиковая мощность свыше 10 Вт, а при генерации в области 8 мкм - более 13 Вт, что является мировым рекордом для ККЛ на этой длине волны. Продемонстрированы отечественные ТГц ККЛ с максимальными рабочими температурами более 130 К и шириной полосы генерации 400 ГГц с центральной частотой около 4.3 ТГц. Уникальность коллектива участников проекта заключается в его взаимодополняемости, что обеспечивает целостность и необходимо для решения поставленных в проекте задач. В проекте поставлен широкий спектр задач, которые на данный момент не решены научным сообществом. Для создания одномодовых и одночастотных ККЛ с большим коэффициентом подавления боковых мод впервые предлагается использовать распределенную обратную связь на основе модуляции усиления. Впервые ставятся задачи изучения динамики изменения электронной компоненты диэлектрической проницаемости в ККЛ и определения механизмов, отвечающих за перестройку частоты мод ККЛ. Будут разработаны оригинальные зонные схемы активной области ККЛ типа “фонон-фотон-фонон” и “фотон-фотон-фонон”, а также впервые решена задача обеспечения фазового синхронизма для генерации ТГц излучения на разностной частоте в двухчастотном ККЛ среднего ИК диапазона. Одновременно с этим в проекте впервые будут изучаться физические основы образования ширины линии генерации и частотных шумов в ККЛ. Впервые предлагается создать на основе отечественных ККЛ методики спектроскопии высокого разрешения одновременно в среднем ИК и ТГц диапазонах на основе ККЛ, что позволит качественно увеличить достоверность распознавания спектральных маркеров. Методы анализа компонентного состава выдыхаемого человеком воздуха в настоящее время активно разрабатываются ведущими мировыми научными группами для создания неинвазивной медицинской диагностики ряда социально-значимых заболеваний на ранних стадиях, и ТГц спектроскопия позволяет дополнить существующие в настоящее время методы исследования выдыхаемого воздуха, основанные на ИК спектроскопии. Исследование паров биологических жидкостей и тканей, продуктов их термораспада методами спектроскопии высокого разрешения ТГц и ИК диапазона является совершенно новым подходом в мировой практике. Будет реализована концепция «лазерного обоняния» с целью анализа качества продуктов питания и технологического контроля химических и биохимических процессов, в т.ч. с пространственным разрешением для гиперспектральной визуализации. Впервые в проекте будет проведено теоретическое и экспериментальное изучение и реализована оптическая связь на основе ККЛ в области окон прозрачности атмосферы 3-5 мкм и 8-15 мкм. Такие линии связи необходимы в первую очередь там, где прокладка проводных линий невозможна или нецелесообразна. Их несомненным преимуществом является высокая безопасность и помехозащищённость в силу уменьшения на 3-4 порядка релеевского рассеяния на тумане, облаках, дыме и других преградах, непреодолимых в видимом диапазоне. Соответствие результатов проекта передовому уровню исследования подтверждают близкие по тематике европейские проекты Nano-Tera Irsens II, Teracomb, UltraQCL направленные на создание газовых спектроанализаторов и спектроскопии высокого разрешения на основе ККЛ. Таким образом, полученные в ходе выполнения проекта результаты будут новыми, соответствующими мировому уровню и определяющими его по отдельным направлениям.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.Д. Черотченко, В.В. Дюделев, Д.А, Михайлов, С.Н. Лосев, А.В. Бабичев, А.Г. Гладышев, И.И. Новиков, А.В. Лютецкий, Д.А, Веселов, С.О. Слипченко, Н.А. Пихтин, Л.Я. Карачинский, Д.В. Денисов, В.И. Кучинский, Е.А. Когновицкая, А.Ю. Егоров, Р. Теиссер и др. Observation of the Turn-on Delay in InAs- and InP-based Quantum Cascade Lasers under Pulsed Pumping with Non-zero Rise-time 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, CLEO/Europe-EQEC 2021, paper cb_p_8 (год публикации - 2021)
10.1109/CLEO/Europe-EQEC52157.2021.9592656

2. Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Денисов Д.В., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Слипченко С.О., Лютецкий А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Подгаецкий К.А., Мармалюк А.А., Падалица А.А., Ладугин М.А. и др. Гетероструктуры квантово-каскадных лазеров с неселективным заращиванием методом газофазной эпитаксии Письма в ЖТФ, т. 47, в. 24, c. 46-50 (год публикации - 2021)
10.21883/PJTF.2021.24.51800.19014

3. Хабибуллин Р.А., Маремьянин К.В., Пономарев Д.С., Галиев Р.Р., Зайцев А.А., Данилов А.И., Васильевский И.С., Виниченко А.Н., Клочков А.Н., Афоненко А.А., Ушаков Д.В., Морозов С.В., Гавриленко В.И. Квантово-каскадный лазер на 3.3 ТГц на основе активного модуля из трех квантовых ям GaAs/AlGaAs с рабочей температурой > 120K Физика и техника полупроводников, т. 55, в. 11, с. 989-994 (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.11.51551.46

4. Черотченко Е.Д., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Лосев С.Н., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Веселов Д.А., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Карачинский Л.Я., Денисов Д.В., Кучинский В.И., Когновицкая Е.А. и др. Turn-on delay in the mid-infrared quantum-cascade lasers: experiment and numerical simulations CLEO: Applications and Technology, CLEO:A and T 2021 - Part of Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO 2021, ATu1T.1 (год публикации - 2021)
10.1364/CLEO_AT.2021.ATu1T.1

5. Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Бабичев А.В., Мыльников В.Ю., Гладышев А.Г., Лосев С.Н., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Караченский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Heating Dynamics of Pulse-Pumped Quantum-Cascade Lasers 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, CLEO/Europe-EQEC 2021, paper cb_4_5 (год публикации - 2021)
10.1109/CLEO/Europe-EQEC52157.2021.9542364

6. Мыльников В.Ю., Поташин С.О., Соколовский Г.С., Аверкиев Н.С. Dissipative phase transition in systems with two-photon driving and dissipation near the critical point 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, CLEO/Europe-EQEC 2021, paper eb_p_25 (год публикации - 2021)

7. Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Черотченко Е.Д., Чистяков Д.В., Бабичев А.В., Мыльников В.Ю., Гладышева А.Г., Лосев С.Н., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Dynamics and Lateral Distribution of Heating in the Quantum-Cascade Laser Cavity under Pulsed Pumping Novel Optical Materials and Applications 2021 Washington, DC United States, paper NoW3C.3 (год публикации - 2021)
10.1364/NOMA.2021.NoW3C.3

8. Кулагина А.С., Трухин В.Н., Ступин Д.Д., Чернев А.Л., Дубина М.В., Цырлин Г.Э. Исследование спектров комплексного показателя преломления пленок мононуклеотидов на кремнии в терагерцевом диапазоне Письма в журнал технической физики, т. 47, в. 17, стр. 29-31 (год публикации - 2021)
10.21883/PJTF.2021.17.51383.18757

9. Хабибуллин Р.А., Пономарев Д.С., Ушаков Д.А., Афоненко А.А. Optimization of THz quantum cascade lasers with an active module based on two-quantum wells for high-temperature operation Journal of Physics: Conference Series, 2086 (2021) 012086 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2086/1/012086

10. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Масленникова А.В., Железняк А.В., Князева Т.Д., Родионов М.А., Майоров А.И. Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для анализа состава продуктов термического разложения биологических жидкостей (урины) человека Оптический журнал (год публикации - 2022)

11. Черотченко Е.Д., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Лосев С.Н., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Веселов Д.А., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Карачинский Л.Я., Денисов Д.В., Кучинский В.И., Когновицкая Е.А., Егоров А.Ю. и др. Observation of Long Turn-on Delay in Pulsed Quantum Cascade Lasers IEEE/OPTICA PUBLISHING GROUP Journal of Lightwave Technology (год публикации - 2022)

Публикации

1. Абдулразак С.Х. , Мыльников В.Ю., Чистяков Д.В., Лосев С.Н., Дерягин Н.Г. , Дюделев В.В., Соколовский Г.С. Bessel beam generation from conically refracted laser diode radiation IEEE Xplore, 21955297 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840145

2. Дюделев В.В., Черотченко Е.Д., Михайлов Д.А., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Лосев С.Н., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Подгаетский К.А., Мармалюк А.А., Падалица А.А., Ладугин М.А. и др. Efficiency of 8 μm - emitting quantum cascade lasers with various upper cladding compositions IEEE Xplore, 21955362 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840245

3. Дюделев В.В., Черотченко Е.Д., Михайлов Д.А., Савченко Г.М., Лосев С.Н., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Free Carrier Absorption Measurement in Mid-Infrared Quantum Cascade Lasers IEEE Xplore, 21955332 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840330

4. Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Бабичев А.В., Черотченко Е.Д., Гладышев А.Г., Лосев С.Н., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Сахарова Т.В., Артюшенко В.Г., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Influence of spatial characteristics of high-power quantum-cascade laser beams on the fiber-coupling efficiency IEEE Xplore, 21955363 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840024

5. Мыльников В.Ю., Поташин С.О., Соколовский Г.С., Аверкиев Н.С. Dissipative Phase Transition in Systems with Two-Photon Drive and Nonlinear Dissipation near the Critical Point Nanomaterials, v. 12, p. 2543 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12152543

6. Черотченко Е.Д., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Савченко Г.М., Чистяков Д.В., Лосев С.Н., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Веселов Д., Слипченко С.О., Денисов Д., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Подгаецкий К.А., Ладугин М.А. и др. High-Power Quantum Cascade Lasers Emitting at 8 m: Technology and Analysis Nanomaterials, v. 12, p. 3971 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12223971

7. Шепелев А.Е. , Путилов А.Г., Антипов А.А., Ангелуц А.А. Формирование излучения квантово-каскадного лазера среднего ИК диапазона Квантовая электроника, т. 52, № 9, стр. 779–782 (год публикации - 2022)

8. Мыльников В.Ю., Михайлов Д.А., Дюделев В.В., Черотченко Е.Д., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Лосев С.Н., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Новиков И.И., Крачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Transverse Mode Structure of Mid-Infrared Quantum-Cascade Lasers: Experiment and Numerical Simulations IEEE Xplore, 21955396 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840204

9. Белов Д.А., Иконников А.В., Пушкарев С.С., Галиев Р.Р., Пономарев Д.С., Хохлов Д.Р., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Морозов С.В., Гавриленко В.И., Хабибуллин Р.А. Температурное затухание генерации квантово-каскадных лазеров с частотами 2.3, 3.2, 4.1 ТГц Физика и техника полупроводников, т. 56, вып. 7, стр. 705-710 (год публикации - 2022)
10.21883/FTP.2022.07.52764.19

10. Багаев Т.А., Ладугин М.А., Мармалюк А.А.,. Данилов А.И, Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Зайцев А.А., Маремьянин К.В., Морозов С.В., Гавриленко В.И., Галиев Р.Р., Павлов А.Ю., Пушкарев С.С., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Квантово-каскадный лазер с частотой генерации 3.8 THz, выращенный методом металлоорганической газофазной эпитаксии Письма в ЖТФ, т. 48, вып. 10, стр.16-19 (год публикации - 2022)
10.21883/PJTF.2022.10.52550.19162

11. Хабибуллин Р.А., Пушкарев С.С., Галиев Р.Р., Пономарев Д.С., Васильевский И.С., Виниченко А.Н., Клочков А.Н., Багаев Т.А., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Маремянин К.В., Гавриленко В.И., Ушаков Д.В., Афоненко А.А. THz quantum cascade lasers with two-photon emission in the gain module IEEE Xplore, 21955355 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840000

12. Кусакина К.В., Соколовский Г.С. АНАЛИЗ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ КВАНТОВО-КАСКАДНЫХ ЛАЗЕРОВ ПРИ ИХ НАКАЧКЕ ТРАПЕЦИЕВИДНЫМ ИМПУЛЬСОМ ТОКА Известия высших учебных заведений. Радиофизика (год публикации - 2022)

13. Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Пономарев Д.С., Пушкарев С.С., Гавриленко В.И., Хабибуллин Р.А. Новые дизайны лазерных переходов терагерцевых квантово-каскадных лазерах Известия вузов. Радиофизика, т. 65, № 5-6, стр. 1-11 (год публикации - 2022)

14. Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Денисов Д.В., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Слипченко С.О., Лютецкий А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Подгаецкий К.А., Мармалюк А.А., Падалица А.А., Ладугин М.А., Пихтин Н.А. и др. Heterostructures of quantum-cascade lasers based on composite active regions Известия Российской академии наук. Серия физическая (год публикации - 2023)

15. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Жукова Е.С., Храмов Р.Н., Гапеев А.Б., Щербатюк Т.Г. Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для исследования состава продуктов термического разложения биологической жидкости (урины) крыс с дисбактериозом Журнал радиоэлектроники (год публикации - 2023)

16. Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Бабичев А.В., Черотченко Е.Д., Гладышев А.Г., Лосев С.Н., Новиков И.И., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Подгаецкий К.А., Мармалюк А.А., Падалица А.А., Ладугин М.А. и др. High-power 4.5-μm Quantum Cascade Lasers with Two-Stage Epitaxial Growth IEEE Xplore, 21955589 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840339

17. Белов Д.А., Иконников А.В., Пушкарев С.С., Галиев Р.Р., Пономарев Д.С., Хохлов Д.Р., Морозов С.В., Гавриленко В.И., Хабибулин Р.А. Temperature dependences of spectral and power characteristics of quantum cascade lasers with frequencies from 2.3 to 4.1 THz IEEE Xplore, 21955391 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9839818

18. Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А. Высокотемпературные квантово-каскадные лазеры терагерцового диапазона: оптимизация дизайнов и экспериментальные результаты Российский технологический журнал, т. 10, № 3, стр. 45-55 (год публикации - 2022)
10.32362/2500-316X-2022-10-3-45-55

Публикации

1. Подгаецкий К.А., Лобинцов А.В., Данилов А.И., Иванов А.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Бабичев А.В., Савченко Г.М., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Гладышев А.Г., Новиков И.И. и др. Диэлектрические высокоотражающие зеркальные покрытия для квантовых каскадных лазеров с длиной волны излучения 4 –5 мкм КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, № 5, 53, с. 370-373 (год публикации - 2023)

2. Выскубенко О.Б., Гаранин C.Г., Захаров Н.Г., Кусакина К.В., Лазаренко В.И. Мухин А., Соколовский Г.С., Туляков К.А. Параметрическое усиление излучения квантово-каскадного лазера на длине волны 4.6 µm в нелинейном кристалле ZnGeP2 Письма в журнал технической физики, т. 49, вып. 21, стр. 42-46 (год публикации - 2023)
10.21883/PJTF.2023.21.56464.19686

3. Врубель И.И., Ханин В., Сута М., Полозков Р.Г., Черотченко Е.Д. A quantum model of charge capture and release onto/from deep traps J. Physical Chemistry Chemical Physics, 25, p. 18364-18377 (год публикации - 2023)
10.1039/D3CP01271A

4. Врубель И.И., Черотченко Е.Д., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Абрамов А.В., Дюделев В.В., Соколовский Г.С. Active Region Overheating in Pulsed Quantum Cascade Lasers: Effects of Nonequilibrium Heat Dissipation on Laser Performance Nanomaterials, 13, 23, p.2994 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13232994

5. Курицын Д.И., Антонов А.В., Морозов С.В., Анфертьев В.А., Черняева М.Б., Вакс В.Л., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Слипченко С.О., Лютецкий А.В., Гладышев А.Г., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Пихтин Н.А., Егоров А.Ю. и др. Перестройка частоты излучения арочных квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона Письма в журнал технической физики (год публикации - 2023)

6. Подгаецкий К.А., Лобинцов А.В., Данилов А.И., Иванов А.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Кузнецов Е.В., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Бабичев А.В., Когновицкая Е.А., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Гладышев А.Г. и др. Металлодиэлектрические зеркальные покрытия для квантовых каскадных лазеров с длиной волны излучения 4 – 5 мкм Квантовая электроника, 8, 53, 641-644 (год публикации - 2023)

7. Колодезный Е.С., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Харин Н.Ю., Паневин В.Ю., Дюделев В.В., Слипченко С.О., Лютецкий А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Пихтин Н.А., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Fabrication and Characterization of 5.2 um Quantum-Cascade Lasers Grown by Molecular-Beam Epitaxy IEEE (2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 11, 390-393 (год публикации - 2023)
10.1109/EEXPOLYTECH58658.2023.10318795

8. Черотченко Е., Дюделев В., Михайлов Д., Савченко Г., Чистяков Д., Лосев С., Бабичев А., Гладышев А., Новиков И., Лютецкий А., Веселов Д., Слипченко С., Денисов Д., Андреев А., Яроцкая И., Подгаецкий К., Ладугин М., Мармалюк К., Пихтин Н. и др. High-Power Quantum Cascade Lasers for 8 μm Spectral Range IEEE ( 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), 6, 1-1 (год публикации - 2023)
10.1109/CLEO/Europe-EQEC57999.2023.10232308

9. Мыльников В.Ю., Поташин С.О., Соколовский Г.С., Аверкиев Н.С. Emergent Equilibrium and Quantum Criticality in Systems with Two-Photon Drive and Dissipation IEEE Xplore (2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), 06, 1-1 (год публикации - 2023)
10.1109/CLEO/Europe-EQEC57999.2023.10232262

10. Дюделев B.B. , Черотченко Е.Д., Врубель И.И. , Михайлов Д.А. , Чистяков Д.В. , Мыльников В.Ю. , Лосев С.Н. , Когновицкая Е.А. , Бабичев А.В. , Лютецкий А.В. , Слипченко С.О. , Пихтин Н.А. , Абрамов А.В. , Гладышев А.Г. , Подгаецкий К.А. и др. Квантово-каскадные лазеры для спектрального диапазона 8 мкм: технология, дизайн и анализ Успехи физических наук, № 1, т. 194, с. 99-105 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Достигнут непрерывный режим генерации в ККЛ ТГц диапазона (непрерывный режим генерации ККЛ среднего ИК диапазона был получен ранее) и продемонстрованы одночастотные ККЛ с распределенной обратной связью в среднем ИК диапазоне. 2. Проведены исследования по эпитаксиальному выращиванию структуры квантовых каскадных лазеров по разработанным оригинальным конструкциям, направленных на повышение мощности излучения. 3. Разработаны дизайны мощных квантовых каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона с целью создания высокой плотности мощности внутри резонатора для повышения эффективности генерации разностной частоты в терагерцовом диапазоне. 4. Проведены эксперименты по эпитаксиальному выращиванию методом молекулярно-пучковой эпитаксии структур двухчастотных квантовых каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона, разработанных на предыдущих этапах. Отработаны методы процессирования лазерных мезаструктур и исследования по получению генерация терагерцового излучения на разностной частоте. 5. Изучены фундаментальные ограничения на ширину линии генерации квантовых каскадных лазеров терагерцового частотного диапазона. Проведен анализ возможных физических механизмов, лежащих в основе ограничения ширины линии генерации квантового каскадного лазера. 6. Проведены исследования возможных механизмов образования частотных шумов в квантовых каскадных лазерах с целью создания источников с высокой спектральной чистотой, удовлетворяющих требованиям спектроскопии высокого разрешения. Проведен анализ амплитудных и частотных шумов при различных режимах генерации квантовых каскадных лазеров. 7. Разработан лабораторный макет газового спектроанализатора на основе терагерцового квантового каскадного лазера с высокими спектральным разрешением и чувствительностью. 8. Разработана методика ТГц спектроскопии высокого разрешения на основе квантовых каскадных лазеров для биомедицинских приложений. Проведены спектроскопические исследования состава многокомпонентных газовых смесей биологического происхождения (пары и продукты термического разложения крови) от здоровых людей и пациентов с социально-значимыми заболеваниями (диабет, онкология). Выявлены спектральные маркеры заболеваний и гниения при хранении зерна (пшеницы и др.) с использованием спектроанализатора на основе квантовых каскадных лазеров. 9. Изучены возможности создания беспроводных оптических линий связи на основе квантовых каскадных лазеров прямой модуляции на основе разработанных мощных квантовых каскадных лазеров и схемы комбинированного смещения, направленной на увеличение максимальной частоты модуляции. 10. Изготовлены и исследованы двухфотонные терагерцовые квантовые каскадные лазеры на основе микрорезонаторов с осевой симметрией. 11. Описан диссипативный фазовый переход в цепочках квантовых резонаторов с двух-фотонной накачкой, нелинейной диссипацией и керровской нелинейностью. Была построена теория среднего поля, учтены пертурбативные флуктуации вдали от точки фазового перехода и построены квазиклассические уравнения Ланжевена в критической области сильных флуктуаций. Результаты выполнения проекта опубликованы в 12 работах (из них 2 статьи в журналах Q1).

Публикации

1. Подгаецкий К.А., Лобинцов А.В., Данилов А.И., Иванов А.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Кузнецов Е.В., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Когновицкая Е.А., Лосев С.Н., Абдулразак С.Х., Бабичев А.В., Савченко Г.М., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. InGaAs/AlInAs/InP Quantum-Cascade Lasers with Reflective and Antireflective Optical Coatings Bulletin of the Lebedev Physics Institute, Vol. 51, Suppl. 7, pp. S507–S511 (год публикации - 2024)
10.3103/S1068335624601742

2. Черотченко Е.Д., Дюделев В.В., Врубель И.И., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Мыльников В.Ю., Лосев С.Н., Бабичев А.В., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Гладышев А.Г., Папылев Д.С., Подгаецкий К.А., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Новиков И.И., Кучинский В.И., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. The temperature dependence of build-up time in a QCL emitting in 8μm wavelength range SPIE, Proceedings of the SPIE, V. 13002, id. 130020G 4 pp. (год публикации - 2024)
10.1117/12.3022488

3. Дюделев В.В., Черотченко Е.Д., Врубель И.И., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Мыльников В.Ю., Лосев С.Н., Когновицкая Е.А., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Гладышев А.Г., Подгаецкий К.А., Бабичев А.В., Папылев Д.С., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Новиков И.И., Кучинский В.И., Карачинский Л.Я., Пихтин Н.А., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. High-power quantum cascade lasers for 8 μm spectral range SPIE, Proceedings of the SPIE, Volume 13002, id. 130020E (год публикации - 2024)
10.1117/12.3022397

4. Подгаецкий К.А., Лобинцов А.В., Данилов А.И., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Бабичев А.В., Когновицкая Е.А., Лютецкий А.В., Слирченко С.О., Пихтин Н.А., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Influence of anti-reflection and partial-high-reflection coatings on characteristics of quantum cascade lasers in 4-5 μm range IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), p. 135 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624474

5. Дюделев В.В., Черотченко Е.Д., Врубель И.И., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Мыльников В.Ю., Лосев С.Н., Когновицкая Е.А., Бабичев А.В., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Абрамов А.В., Гладышев А.Г., Подгаецкий К.А., Андреев А.Ю., Яроцкая И.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. High-power QCL for 8 µm spectral range IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), p. 115 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624404

6. Врубель И.И., Черотченко Е.Д., Михайлов Д.А., Дюделев В.В., Соколовский Г.С. Active Region Overheating in Quantum Cascade Lasers IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), p. 121 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624037

7. Хабибулин Р.А., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Павлов А.Ю., Галиев Р.Р., Пономарев Д.С., Васильев А.П., Кузьменков А.Г., Малеев Н.А., Зубов Ф.И., Максимов М.В., Белов Д.А., Иконников А.В., Курицын Д.И., Жукавин Р.Х., Ковалевский К.А., Анфертев В.А., Вакс В.И., Антонов А.В., Дубинов А.А., Морозов С.В., Гавриленко В.И. Continuous-wave two-photon terahertz quantum cascade laser Journal of Applied Physics, 136, 194504 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0230491

8. Дюделев В.В., Черотченко Е.Д., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Слипченко С.О., Лютецкий А.в., Гладышев А.Г., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Пихтин Н.А., Егоров А.Ю., Кондрашов А.В., Семенов А.А., Устинов А.Б., Соколовский Г.С. Generation of random pulsed sequences by switching lateral modes in a quantum-cascade laser IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), p. 131 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624245

9. Мыльников В.Ю., Поташин С.О., Соколовский Г.С., Аверкиев Н.С. Emergent equilibrium and quantum criticality in a two-photon dissipative oscillator Physical Review Research (год публикации - 2024)

10. Жмудь Б.А., Соболев А.С., Спирин К.Е., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Дисперсия двойного металлического волновода квантово-каскадного лазера в области оптических фононов GaAs Письма в ЖТФ, том 50, вып. 15, стр. 3-5 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.15.58431.19925

11. Савченко Г., Шабунина Е., Черняков А., Талнишних Н., Иванов А., Абрамов А., Закгейм А., Кучинский В., Соколовский Г., Аверкиев Н., Шмидт Н. Carrier Recombination in Nitride-Based Light-Emitting Devices: Multiphonon Processes, Excited Defects, and Disordered Heterointerfaces Nanomaterials , 14 (13), 1072 (год публикации - 2024)
10.3390/nano14131072

12. Мыльников В.Ю., Поташин С.О., Ухтари М.С., Даунинг С.А., Соколовский Г.С. Dissipative Phase Transition in quadratically driven Kerr Oscillator IEEE Xplore, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), p. 427 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624332

Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе выполнения проекта результаты фундаментальных исследований могут быть использованы при дальнейших прикладных разработках, направленных на развитие методик использования ККЛ в спектроскопии, оптических системах связи и гиперспектральной визуализации для широкого круга применений в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, системах связи и для обеспечения безопасности. Перспективы использования результатов проекта в сельском хозяйстве определяется возможностью дистанционного контроля заболеваний растений методами газовой спектроскопии в среднем ИК и ТГц диапазонах, позволяющей анализировать их «запахи». Это может сделать сельское хозяйство более экологически рациональным и безопасным, избегая неоправданного применения пестицидов в защите сельскохозяйственных культур. Результаты выполнения проекта должны способствовать развитию экологически чистой энергетики и повышению эффективности добычи и транспортировки углеводородов за счет использования методик ТГц спектроскопии на основе ККЛ для экспресс идентификации источников и типов углеводородного сырья из разных месторождений по линиям поглощения многих молекул примесей и присадок, которые находятся в ТГц диапазоне. ККЛ среднего ИК диапазона могут быть использованы для контроля содержания в воздухе метана и других вредных газов, имеющих характерные линии поглощения в области окон прозрачности атмосферы. Использование разработанных в проекте методик газового анализа на основе ККЛ ТГц и среднего ИК диапазонов для удаленного мониторинга состава атмосферы и определения видов загрязняющих веществ позволит противодействовать возрастанию антропогенных нагрузок на окружающую среду.