Микродисковый лазер с термоэлектрическим охлаждением для среднего инфракрасного (ИК) диапазона на основе полупроводниковых наноструктур теллурида кадмия и ртути (HgCdTe) создали специалисты Института физики микроструктур (ИФМ) РАН и Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова (ИФП) СО РАН, 25 января сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу ИФП СО РАН.

Полупроводниковые HgCdTe-наноструктуры были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН, единственном в мире научном центре, обладающем технологией синтеза требуемых волноводных структур — множественных квантовых ям на основе теллурида кадмия и ртути.

Результаты работы, которая проводилась в рамках проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», ученые представили в статье «Лазер HgCdTe в режиме шепчущей галереи, работающий в диапазоне около 4 мкм при охлаждении Пельтье», опубликованной в журнале Applied Physics Letters.

Лазеры, излучающие в одном из окон прозрачности атмосферы 3–5 микрон (средний ИК-диапазон), востребованы в областях экологического мониторинга, медицинской диагностики и химического анализа, в том числе с их помощью выявляются утечки метана в шахтах и на газопроводах.

Если ранее лазеры с активной средой на квантовых ямах HgCdTe нуждались в охлаждении до -120 °C и ниже, то ученым ИФМ РАН и ИФП СО РАН удалось добиться повышения рабочей температуры до -43 °C, какую уже может обеспечить миниатюрный термоэлектрический преобразователь — элемент Пельтье, а не крупногабаритные криогенные панели, которые необходимы для современных лазеров с HgCdTe.

Лазер был изготовлен в Институте физики микроструктур РАН. Заведующий лабораторией ИФМ РАН доктор физико-математических наук Сергей Морозов рассказал о работе над конструкцией 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 мкм. Однако, чтобы сделать такой лазер, излучение нужно поместить в резонатор, для чего мы рассчитали и изготовили микродисковую конструкцию лазерного резонатора на модах шепчущей галереи».

В этом случае излучение усиливается за счет многократного отражения от стенок диска, который исследователи изготовили методом ионного травления и безмасочной литографии, добившись при этом нужных параметров без ухудшения свойств исходного материала.

Эффект мод шепчущей галереи для акустических волн хорошо известен: в лондонском соборе Святого Павла можно услышать шепот собеседника, даже если он находится на противоположном краю округлого сооружения, что составляет расстояние более 33 метров. Этот эффект создается за счет стоячей звуковой волны, возникающей из-за отражения звука от стен собора.

Микродисковый резонатор лазера работает по тому же принципу стоячей волны, но не звуковой, а световой в диапазоне 3–5 мкм. Квантовые ямы, которые обеспечивают этот эффект, представляют собой тонкий слой полупроводника (несколько десятков атомов), с двух сторон ограниченного барьерными слоями — полупроводниками другого состава. Для выращивания такой структуры необходимо тщательно, на атомарном уровне контролировать ее состав и толщину. В данном лазере таких ям 13.

«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», — пояснил старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Николай Михайлов.

Новый лазер работает в импульсном режиме. Его оптическая накачка для перевода рабочей среды в возбужденное состояние проводилась оптическим параметрическим осциллятором с длиной волны 2 мкм.

«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», — подчеркнул Сергей Морозов.