procesi rasejanja između landauovih nivoa thz kvantno-kaskadnih lasera u prisustvu magnetnog polja

Uvod Teorijske osnove funkcionisanja

kvantno kaskadnih lasera Rasejanje nosilaca u prisustvu

magnetnog polja Numerički rezultati i diskusija Zaključak

Talasna dužina zavisi od sastava i debljina aktivnih oblasti,

Veoma brzi transportni procesi,

Velika izlazna snaga,

Primena u medicini, spektroskopiji, telekomunikacijama u slobodnom prostoru, kao i za detekciju hemijskih i bioloških agenasa (vojna primena).

Optički aktivan deo strukture čini centralne kvantne jame (gornje i donje lasersko stanje i osnovni nivo), ograničene sa obe strane dvema konačnim superrešetkama – injekciona i kolektorska oblast.

Primer aktivne oblasti bazirane na vertikalnim prelazima

Šematski prikaz emisije i apsorpcije optičkih fonona i prelazak elektrona iz inicijalnog u finalno stanje

Fermijevo zlatno pravilo:

2 2,

, 1 ,

2 2ˆ, , , , ,e ai f i f f f q e ph i i q f i i f f iW n N H n N E E E E

k k k k

U prisustvu magnetnog polja:

|| ||( ) sin( )i nC e z

d

q rr

, ||( 0) ( 1 2)n l n cE E k l

2||2 2

, || ||2 2||0 0

( , , )( ) ( ) [ ( ) 1]

2i fLO

i f i f LO z z LOp n

F l lW e E E q dq P q dq n

q

q

, , LO

2

( )22LO 2

|| || ||LO 00, ,

1 11 ( ) ( )

2

n l n li i f f

i i f f

E E

qpn l n l

ee n F q G q dq

2||

22

2||2 22|| ||

!!| ( , , ) | ( / 2 )

2

f i

f i

i

l lq

l l

i f li

f

ll

qF q l l e L q

Elektroni se rezonantnim tunelovanjem injektuju na gornji laserski nivo (n=3)

Dijagonalni prelazi sa n=3 na n=2

17 /K kV cm

IRS predstavlja elastično rasejanje elektrona na razdvojnim površinama slojeva QCL-a usled postojećih neravnina (karakterističan je za elektronske uređaje koje sačinjavaju tanki slojevi).

Varijacije debljina slojeva uzrokuju zavisnost energije čestica od njihove pozicije u ravni sloja.

Visina neravnine u ravni sloja:

2

2

2

r r 'r r ' exp

'0

ˆIR iH U z z

Matrični element rasejanja

form faktor

Brzina rasejanja

Pretpostavljajući linearnu zavisnost razlika energija inicijalnog i finalnog stanja od pozicije zi, dobijamo konačni izraz za brzinu rasejanja na neravninama površina:

2 2

2

( ) ( )22 2 *

0 , ,( , ) ( , )i f i f

i xi f x f

x x y y

if l k i i l k f f i i f fM F x y x y e dx dy dx dy

*

0 ( ) ( )i fif n i n iF U z z

2

0 , ,IR, ,

21( ) ( )

x fk

i i f f

i i f f

i n l n l in l n l

M z E E dz

2

0

2

, ,

22IR

, ,

1 2 1

2x fk

n l n li i f f

i i f f

E E

n l n l

Me

Posmatrana struktura GaAs/Al0.15Ga0.85As Dimenzije strukture 56/71/31/167 Å

4.6THz

17 /K kV cm

32

21

19

36 LO

E meV

E meV

Cepanje kontinualnih energetskih stanja na serije diskretnih Landauovih nivoa:

22 ' 2 ' *, || || 0 1 1( 0) ( 1/ 2) ( ) 1/ 8 8 8 5 1n l n n nE E k l eB m E l l l l eB m

* ' '|| 0 1 1 0( ) 1 2n nm E m E

' 11 0.642V

' 11 0.679V

77T K

Rešavanjem kompletnog sistema brzinskih jednačina može se odrediti pojačanje QCL-a:

, , , ,1

, , , ,1

1, ,

1 1

1

N N

i i f N i N f f f i N f N i

N N

if

N N

i i f kN i kN

i f f f

f f f i kN f kN ii

ii i i

i

i

ndn

dt

n w w n w w

n w w n ww n w w

Predstavljen je detaljan model proračunavanja vremena relaksacija za THz kvantno-kaskadni laser baziranog na dizajnu aktivne oblasti od samo dve kvantne jame, kada je prisutno jako magnetno polje.

Poređene su vrednosti brzina relaksacija nosilaca sa gornjeg laserskog nivoa usled rasejanja na LO fononima i neravninama površina (IRS), i njihova zavisnost od magnetnog polja.

Variranjem jačine magnetnog polja, možemo detektovati regione sa značajno smanjenim rasejanjima, time kontrolisati izlazno optičko pojačanje.