способ генерации когерентного электромагнитного излучения и дипольный нанолазер на его основе

Формула изобретения

1. Способ генерации когерентного электромагнитного излучения, включающий накачку энергии в двухуровневые энергетические системы, находящиеся в прозрачной матрице, в которую дополнительно введены наночастицы размерами меньше длины волны указанного излучения, и заселение указанных систем на верхний энергетический уровень - инвертирование, до состояния, когда за счет энергии накачки и диполь-дипольного взаимодействия двухуровневых систем и наночастиц обеспечивается возбуждение дипольных колебаний электронов наночастиц и электромагнитное излучение указанных систем становится вынужденным и когерентным.

2. Дипольный нанолазер для генерации когерентного электромагнитного излучения, состоящий из двухуровневой системы в форме квантовой точки и металлической или полупроводниковой наночастицы размерами меньше длины волны указанного излучения, помещенных в прозрачную среду на расстоянии друг от друга, меньшем длины волны указанного излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к технологии работы и конструированию полупроводниковых лазеров, и может быть использовано в системах записи, считывания и обработки информации.

Известен способ генерации когерентного электромагнитного излучения (далее КЭМИ) [1], включающий накачку энергии в находящиеся в прозрачной матрице двухуровневые энергетические системы и перевод таким образом указанных систем на верхний уровень (инвертирование) до состояния, когда излучение указанных двухуровневых систем становится вынужденным и когерентным.

Известно также устройство для реализации указанного способа [2], состоящее из источника электронов и полупроводниковых микрорезонаторов, выращенных в заданном порядке на прозрачной для генерируемого излучения подложке.

Недостатком указанных способа и устройства является большой размер указанных микрорезонаторов, который в пределе не может быть меньше длины волны КЭМИ, генерируемого данным устройством, что принципиально ограничивает размер устройства.

Известен также способ генерации КЭМИ [3], включающий накачку энергии в резонатор для электромагнитного поля и инвертирование таким образом находящихся в матрице двухуровневых энергетических систем на верхний уровень до состояния, когда излучение указанных двухуровневых систем становится вынужденным и когерентным. Известен также лазер на полупроводниковых гетероструктурах, реализующий указанный способ [4], содержащий подложку с нанесенными на нее ультратонкими полупроводниковыми слоями с геометрией квантовых точек, помещенных в резонаторы для КЭМИ, и электроконтактные пластины.

Недостатком указанных способа и лазера, которые являются прототипами данного изобретения, также является большой размер резонатора для КЭМИ, который также в пределе не может быть меньше длины волны КЭМИ, генерируемого указанным лазером, что принципиально ограничивает размер устройства, а также недостаточно узкая ширина спектральной линии КЭМИ.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и уменьшение размеров лазера для генерации КЭМИ до величин, меньших длин волн генерируемого КЭМИ, и уменьшение ширины спектральной линии КЭМИ.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе генерации КЭМИ, включающем накачку энергии в находящийся в прозрачной матрице двухуровневые энергетические системы и заселение таким образом указанных систем на верхний энергетический уровень (инвертирование) до состояния, когда электромагнитное излучение указанных систем становится вынужденным и когерентным, путем указанной накачки также возбуждают дипольные электрические колебания с участием электронов дополнительно введенных в указанную матрицу наночастиц.

Поставленная цель достигается также тем, что в известный лазер, содержащий подложку с нанесенными на нее ультратонкими полупроводниковыми слоями с геометрией квантовых точек и электроконтактные пластины, между указанными слоями дополнительно размещены металлические или полупроводниковые наночастицы, имеющие геометрические размеры, меньшие, чем длина волны указанного КЭМИ.

На чертеже представлено схематическое изображение предлагаемого дипольного нанолазера, где:

1 - подложка,

2 - полупроводниковые ячейки с геометрией квантовых точек,

3 - полупроводниковый слой,

4 - металлические (или полупроводниковые) наночастицы,

5 - прозрачный полупроводниковый слой,

6 - электроконтактные пластины,

7 - дипольный нанолазер.

Предлагаемый способ следующим образом реализуется с помощью предлагаемого дипольного нанолазера, технология изготовления и работа которого описаны ниже.

На подложке 1 выращивается структура-полуфабрикат с ультратонкими полупроводниковыми слоями. Далее в указанной структуре-полуфабрикате литографически формируется структура с боковым ограничением, а именно, создаются элементы с геометрией квантовых точек 2, подобно тому, как это сделано в [4], где квантовые точки это периодически расположенные с шагом 70 нм островки InGaAs, диаметром около 30 нм. Затем на поверхность указанных квантовых точек наносится полупроводниковый слой 3 толщиной меньше длины волны КЭМИ. Затем на этот слой наносятся заранее заготовленные металлические (или полупроводниковые) наночастицы 4, размером меньше длины волны КЭМИ и далее структура заращивается полупроводниковым материалом 5, прозрачным для генерируемого КЭМИ.

При подаче электрического напряжения между подложкой и указанным наращенным слоем электроны в InGaAs кристаллах указанных квантовых точек, представляющих собой двухуровневые энергетические системы, переходят с нижнего энергетического уровня на верхний и релаксируют в нижнее состояние. Вследствие диполь-дипольного взаимодействия между двухуровневой системой и наночастицей электроны в наночастице совершают колебания с частотой, близкой к частоте перехода двухуровневой системы, вызывая гармонические осцилляции дипольного момента наночастицы. Диполь-дипольное взаимодействие между двухуровневой системой и наночастицей обеспечивает положительную обратную связь между осцилляциями электронов наночастицы и электрона двухуровневой системы: чем больше амплитуда осцилляций дипольного момента наночастицы, тем выше вероятность перехода электрона в двухуровневой системе. Инверсия двухуровневой системы обеспечивает превышение скорости переходов на нижний уровень над скоростью переходов на верхний. Когерентные осцилляции поляризации частиц возникают, если скорость накачки настолько велика, что скорость переходов на нижнее состояние двухуровневой системы превышает скорость переходов на верхнее состояние и потери энергии осцилляций электронов в двухуровневой системе и наночастице. Осцилляции поляризации частиц приводят к когерентному излучению в свободное пространство на частоте перехода двухуровневой системы согласно диаграмме направленности диполей, при этом максимум энергии диполь-дипольного взаимодействия достигается, если дипольные моменты наночастицы и двухуровневой системы лежат на одной прямой.

Лазерная генерация КЭМИ будет наблюдаться в тех местах структуры - полуфабриката, где выполнены пороговые условия генерации КЭМИ при данной мощности накачки. Эти места фиксируются и вырезаются из указанного полуфабриката. На поверхности вырезанных фрагментов наносятся электроконтактные пластины 6. Каждый фрагмент 7 является дипольным нанолазером.

При достаточной скорости накачки ширина линии излучения дипольного нанолазера меньше, чем ширина спонтанного излучения двухуровневой системы и наночастицы из-за бозонных свойств квантов колебаний поляризации наночастицы. Предельная ширина линии определяется квантовыми флуктуациями поляризации.

Из сравнения пороговых условий для дипольного нанолазера и обычного лазера следует, что дипольный нанолазер соответствует обычному лазеру с эффективным объемом лазерной моды резонатора 0.037 кубического микрометра, что в несколько десятков раз меньше предельно малого объема моды обычного лазера, равного 1 кубическому микрометру.

Литература

[1] Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев В.П. Полупроводниковые лазеры. М., 1976 г.

[2] Насибов А.С. Патент RU 2191453 С2.

[3] X.Кейси, М.Паниш Лазеры на гетероструктурах. Мир, М., 1976 г.

[4] Чкльный А.А.., Кобякова М.Ш., Симаков В.А., Елисеев П.Г. Патент RU 2168249 CL; Hirayama et al., Electron Lett., V 30 p.142 (1994).