Влияние температуры на частотные и мощностные характеристики квантово-каскадных лазеров терагерцового диапазона

Аннотация

Выполнены исследования температурной деградации и перестройки частоты генерации под действием тока и температуры терагерцовых (ТГц) квантово-каскадных лазеров (ККЛ), полностью изготовленных в России. Продемонстрировано уменьшение частот лазеров с ростом температуры на несколько ГГц, а также увеличение частот с ростом тока с коэффициентом до 24,7 МГц/мА. Совместное использование этих эффектов позволяет непрерывно менять частоту излучения ТГц ККЛ в диапазоне свыше 10 ГГц, что сравнимо со многими ККЛ специальных конструкций.

Полученные результаты

1. Проведены измерения температурной зависимости мощностных характеристик ТГц ККЛ с достаточно высокими рабочими температурами (~ 100 К), при которых электронная температура близка к решёточной c использованием длинных (> 1 мкс) импульсов питающего напряжения. На основе построенных графиков Аррениуса показано, что затухание генерации лазеров может быть вызвано температурной активацией испускания LO-фононов «горячими» электронами с верхнего лазерного уровня. Продемонстрирована применимость использованного метода построения графиков Аррениуса для изучения механизмов температурного затухания генерации ККЛ при работе с длинными микросекундными импульсами.
2. Выполнены исследования температурной перестройки частот ТГц ККЛ в диапазоне температур от 5 — 10 К до 70 — 120 К. Продемонстрировано уменьшение частот лазеров с ростом температуры на 3,7 — 6,8 ГГц, связанное с температурной зависимостью показателя преломления активной области лазеров.
3. Для двух ККЛ выполнены исследования перестройки частот генерации при изменении тока. Обнаружено линейное возрастание частоты лазеров с ростом тока с коэффициентами 24,7 МГц/мА и 4,9 МГц/мА. Этот эффект вызван существенной величиной штарковского сдвига уровней лазерного перехода в сочетании с затягиванием мод. Изменение рабочей температуры (уменьшение частоты) и тока (возрастание частоты) позволяет непрерывно перестраивать частоту излучения ТГц ККЛ в диапазоне свыше 10 ГГц.
4. Выполнены исследования влияния длительности импульса питающего напряжения на перестройку частоты генерации для ККЛ с частотой 4,3 ТГц. Продемонстрировано красное смещение линии генерации при увеличении длительности импульса от 2 до 10 мкс на 6 — 7 ГГц вследствие разогрева лазера, что позволяет использовать собственную перестройку частоты ТГц ККЛ для спектроскопии газов.

Публикации по результатам работы

• Белов Д. А., Иконников А. В., Пушкарев С. С. и др., Температурное затухание генерации квантово-каскадных лазеров с частотами 2.3, 3.2, 4.1 ТГц // Физика и техника полупроводников 56, 705 (2022).