Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Występowanie zjawiska kaskady elektronów jest charakterystycznącechą lasera kaskadowego. Stąd pochodzi nazwalasery kaskadowe. Warunkiem koniecznym wystąpienia akcjilaserowej jest uzyskanie inwersji obsadzeń dla poziomów 3 -2. Otrzymanie wystarczającej inwersji obsadzeń w przypadkulaserów kaskadowych jest bardzo trudne. W przybliżeniu laseratrójpoziomowego, wielkość inwersji obsadzeń może zostaćopisana wzorem [1]:Rys. 2. Zasada działania lasera kaskadowego na przykładzie obszaruaktywnego z pionowym przejściem laserowym. Nachyleniekrawędzi pasm wynika z przyłożenia pola elektrycznegoFig. 2. Principle of operation of quantum cascade laser with verticaltransitions in the active region. The inclination of the band edgesresults from applied electric fieldRys. 3. Schemat mechanizmu kaskady w kwantowych laserachkaskadowychFig. 3. Cascading mechanism in quantum cascade laserobszaru czynnego lasera kaskadowego składa się więc zespecyficznego dla danej konstrukcji układu studni kwantowych,w których zachodzą przejścia promieniste oraz injektora(obszaru, w którym nośniki termalizują).Podstawową cechą kwantowych laserów kaskadowychQCL (Quantum Cascade Lasers) jest generowanie kaskadyfotonów (rys. 3). Pełny obszar aktywny lasera składa się z Nokresów, których liczba waha się od 20 do nawet 100.Umieszczenie takiej okresowej struktury w polu elektrycznympowoduje nachylenie krawędzi pasm i powstanie efektu kaskady.Wstrzykiwany elektron przechodząc przez pierwszyfragment obszaru czynnego, emituje kwant światła. Następnienośnik opuszcza ten fragment i zostaje wstrzyknięty do minipasma.Wykorzystując zjawiska, o których była mowawwcześniej, nośniki osiągają poziom energetyczny opisanyjako g dla następnego okresu. Oznacza on najmniejsząmożliwą energię w minipasmie. Powyższy proces powtarzasię w następnych okresach. W zależności od sprawnościkwantowej z każdego elektronu można otrzymać maksymalnieN fotonów. Wynika z tego, że im większa jest liczba okresów,tym większa moc będzie emitowana z lasera.Schemat poziomów w laserze kaskadowym z zaznaczeniemodpowiednich czasów życia oraz czasów relaksacji dlazachodzących przejść został przedstawiony na rys. 4.Skuteczności wstrzykiwania nośników na odpowiednie poziomyenergetyczne zostały oznaczone jako η 2 oraz η 3 , pozostałeoznaczenia to:τ 32 - czas przejścia nośnika z 3 na 2 poziom laserowy,τ 21 - czas relaksacji niepromienistej 2 → 1,τ 2 - czas życia nośnika na dolnym poziomie laserowym,τ 3 - czas życia nośnika na górnym poziomie laserowym,τ esc - czas charakterystyczny dla tunelowania nośników dokolektora.Zależność stanowi tylko przybliżenie i nie ma w nim czynnikówpochodzących od zjawisk znacznie zmniejszających inwersjęobsadzeń takich jak: ucieczka nośników do kontinuumoraz termiczne wzbudzanie nośników na wyższe poziomyenergetyczne. Pozwala on jednak na określenie, od jakichczynników zależeć będzie inwersja obsadzeń w laserze i wjaki sposób można ją zwiększać. Analizując powyższy wzórmożna dojść do wniosku, że przy konstrukcji obszaru czynnegopowinno się dążyć do minimalizacji członu τ 2 /τ 32 orazdo jak największej wartości różnicy wyrażenia τ 3 η 3 -η 2 τ 2 .Rozwój konstrukcji obszaru czynnego laserów kaskadowychnapędzany był koniecznością poprawy tych parametrów. Odpowiedniezmiany grubości oraz materiały barier i studniwpływają na wartości tych czynników, głównie poprzez zmianystopnia nakładania się odpowiednich funkcji falowych. W tensposób m.in. optymalizuje się skuteczność wstrzykiwania nośnikówna górny poziom laserowy (η 3 ). Współczynnik ten jestbardzo duży w obszarze czynnym z trzema studniami kwantowymi(3QW), dzięki dużemu wnikaniu funkcji falowej górnegopoziomu laserowego w barierę wstrzykującą [2]. DlaRys. 4. Schemat poziomów energetycznych w laserze kaskadowym[15]Fig. 4. The diagram of the energy levels in quantum cascade laser [15]ELEKTRONIKA 5/2009 31