Двухфотонные квантовые каскадные лазеры терагерцового диапазона

Abstract

Идея создания двухфотонных лазеров, в которых релаксация электронов между квантовыми уровнями с инверсией населенностей происходит за счет одновременного излучения двух фотонов, была высказана еще в 1960-х годах (см., например, [1]).Такие лазеры имеют огромный потенциал для приложений в частотной метрологии, квантовых гироскопах, квантовой криптографии, квантовых вычислениях и для генерации запутанных пар фотонов в дополнение ко многим обычным частотнозависимым применениям лазеров.Однако на сегодняшний день потенциал двухфотонных лазеров остается в значительной степени неисследованным, поскольку их экспериментальная реализация является сложной задачей.Первая и единственная их реализация в оптическом диапазоне частот с использованием атомов бария относится к 1992 году [2].В недавней работе [3] был предложена структура двухфотонного терагерцового (ТГц) квантового каскадного лазера (ККЛ), которая представляется идеальной средой для реализации такого излучения.Ранее в работах [4,5] мы сообщали о создании двухфотонного ТГц квантового каскадного лазера (ККЛ), выращенного методом металлоорганической газофазной эпитаксии.В докладе будут представлены результаты исследований излучательных характеристик двухфотонных ККЛ с резонансным (частоты двух фотонов совпадают) и нерезонансным дизайном.Для дизайна гетероструктур GaAs/Al0.15Ga0.85AsККЛ была выбрана пятиуровневая лазерная схема с резонансно-фононным опустошением нижнего лазерного уровня с четырьмя квантовыми ямами в каскаде (см., например, [4-6].Из структур с толщиной активной области около 10 мкм, выращенных методом металлоорганической газофазной эпитаксии (МОСГЭ) в НИИ Полюс им.М.Ф.Стельмаха, изготавливались ККЛ с двойным металлическим волноводом из золота с резонатором Фабри-Перо (ширина 100 мкм, длина 1-3 мм) [5].Исследования проводились в импульсном режиме в интервале температур 4,2 -90 К. В спектрах излучения ККЛ с двухфотонным «резонансным» дизайном наблюдалась генерация на нескольких модах резонатора Фабри-Перо в сравнительно узкой области спектра (0,1 ТГц) вблизи расчетной центральной частоты 3,8 ТГц.В то же время в ККЛ с «нерезонансным» дизайном генерация наблюдалась в широком спектральном интервале (0,33 ТГц) вокруг «центральной» частоты 3,6 ТГц, причем в спектрах излучения отчетливо наблюдалась фрагментация на 3-4 группы линий, между которыми моды резонатора не возбуждались (расстояние между продольными модами 12 ГГц).Это указывает на участие в стимулированном излучении практически всех из четырех возможных переходов, формирующих широкую полосу усиления.