Российские физики разработали микродисковый лазер для среднего инфракрасного диапазона

Специалисты Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) создали микродисковый лазер с термоэлектрическим охлаждением для среднего инфракрасного диапазона на основе полупроводниковых наноструктур теллурида кадмия и ртути. Новый ИК-лазер способен работать на разных длинах волн. Полупроводниковый материал для лазера выращен в ИФП СО РАН.Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале «Applied Physics Letters».

Лазеры, излучающие в среднем инфракрасном диапазоне, в одном из окон прозрачности атмосферы 3—5 микрон, нужны для экологического мониторинга, медицинской диагностики и химического анализа. В частности, подобные устройства востребованы для поиска утечек метана в шахтах, на газопроводах. 

Ранее лазеры с активной средой на квантовых ямах теллурида кадмия и ртути требовали охлаждения не менее, чем до -120 оС. Сейчас ученым удалось добиться повышения рабочей температуры до -43 оС, что позволяет использовать для охлаждения рабочей среды миниатюрный термоэлектрический преобразователь — элемент Пельтье, а не крупногабаритные установки, такие как криогенные панели. Лазер был сделан в Институте физики микроструктур РАН.

Полупроводниковая гетероструктура, с квантовыми ямами,  выращенная на основе твердого раствора Cd-Hg-Te Полупроводниковая гетероструктура, с квантовыми ямами,  выращенная на основе твердого раствора Cd-Hg-Te

Моды шепчущей галереи — для лазера

«Рабочая (активная) среда лазера — полупроводниковая структура сложного состава, выращенная в ИФП СО РАН, содержит несколько узких квантовых ям (толщинами 3—4 нанометра) на основе теллурида ртути. Именно в узких квантовых ямах возможна генерация излучения в диапазоне 3,8—4,7 микрон. Однако, чтобы сделать лазер, излучение нужно поместить в резонатор, для чего мы рассчитали и изготовили микродисковую конструкцию лазерного резонатора на модах шепчущей галереи. Таким образом, излучение усиливается путем многократного отражения от стенок диска. Микродиск был изготовлен с помощью ионного травления и безмасочной литографии, при этом нам удалось добиться нужных параметров, не ухудшив при этом свойства исходного материала», — говорит заведующий лабораторией ИФМ РАН доктор физико-математических наук Сергей Вячеславович Морозов.

Хорошо известен эффект мод шепчущей галереи для акустических волн: в соборе Святого Павла в Лондоне можно услышать шепот собеседника, находясь от него даже на противоположном краю округлого сооружения, на расстоянии более 33 метров. Своим появлением эффект обязан возникновению стоячей звуковой волны в результате отражения звука от стенок собора. Микродисковый резонатор лазера функционирует похожим образом, но не для звуковых волн, а для инфракрасного излучения в диапазоне 3—5 микрон.

Выращивание полупроводникового материала (многослойных структур с квантовыми ямами) высокотехнологичным методом молекулярно-лучевой эпитаксии проводили специалисты ИФП СО РАН. Требуемые физические характеристики материала играют ключевую роль для работы лазера. Квантовая яма — это тонкий слой полупроводника (толщиной примерно в несколько десятков атомов), ограниченный с двух сторон барьерными слоями — полупроводниками другого состава. Чтобы вырастить такую структуру, нужно тщательно контролировать состав и толщину — в буквальном смысле на атомарном уровне.

Контролируемое получение множественных квантовых ям

«Профиль распределения состава каждой квантовой ямы строго выдержан, кроме того ямы должны быть идентичны, а в полупроводниковой структуре, которая использовалась при разработке лазера, таких ям — тринадцать. В нашем институте отработана технология контролируемого выращивания квантовых ям на основе теллурида кадмия ртути и запатентован способ контроля толщины и состава с помощью эллипсометрических измерений. Мы можем воспроизводимо выращивать структуры даже с большим числом квантовых ям — 40—50. Больше никто в мире не умеет этого делать», — объясняет старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Николай Николаевич Михайлов.

Созданию лазера предшествовала длительная совместная работа нижегородских и новосибирских физиков.

«Ранее наши коллеги провели экспериментальные и теоретические исследования, показавшие возможность возникновения в узких квантовых ямах излучательных процессов, и подавления безызлучательных, так называемых оже-процессов. Мы последовательно оптимизировали дизайн и технологию роста структур: добились низкого содержания кадмия в квантовых ямах до нескольких процентов, разработали методику контроля профиля распределения состава в квантовых ямах нанометрового размера», — добавляет Николай Михайлов.

Лазер работает в импульсном режиме. Оптическая накачка лазера проводилась оптическим параметрическим осциллятором с длиной волны два микрона. Накачка переводит рабочую среду в возбужденное состояние, это необходимое условие возникновения лазерного излучения.

«Сейчас наш лазер — экспериментальный, это лабораторный прототип. Следующий шаг будет связан с его миниатюризацией: мы планируем использовать для накачки небольшие коммерческие полупроводниковые лазеры доступные на рынке. Важное преимущество созданного нами лазера: его конструкция позволяет, меняя температуру рабочей среды, настраивать длину волны излучения в широком диапазоне, что требуется для проведения химического анализа, диагностики и молекулярной спектроскопии. Квантово-каскадные и оптоволоконные лазеры такой возможности не дают», — подчеркивает Сергей Морозов.

Исследования велись в ходе реализации крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», поддержанного Минобрнауки России.

Пресс-служба ИФП СО РАН

Фото Виктора Яковлева