Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ

Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ

Предложен новый метод перестройки спектральных характеристик усиления квантово-каскадных структур. Перестройка осуществлена с использованием оптической накачки в непрерывном режиме и основана на эффекте заполнения фазового пространства. Согласно результатам математического моделирования оптических с...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2011
Автори: Петров, С.И., Клименко, М.В., Шулика, А.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2011
Назва видання:Радіофізика та електроніка
Теми:
Прикладна радіофізика
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78047
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ / C.И. Петров, М.В. Клименко, А.В. Шулика // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 85-90. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-78047
record_format dspace
spelling irk-123456789-780472015-03-11T03:01:59Z Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ Петров, С.И. Клименко, М.В. Шулика, А.В. Прикладна радіофізика Предложен новый метод перестройки спектральных характеристик усиления квантово-каскадных структур. Перестройка осуществлена с использованием оптической накачки в непрерывном режиме и основана на эффекте заполнения фазового пространства. Согласно результатам математического моделирования оптических свойств квантово-каскадных структур, предложенный метод позволяет реализовать перестройку спектральной характеристики усиления в пределах до 1,1 мэВ без значительного изменения величины коэффициента усиления в максимуме. Полученные результаты представляют интерес для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ. In this paper we propose a new approach to spectral tuning in quantum-cascade structures. Based on phase space filling effect, spectral tuning is accompanied by the continuous optical pump. According to mathematical modeling of optical properties of quantum cascade-structures, proposed method allow to realize tuning in the range up to 1.1 meV without significant changes of peak gain magnitude. Obtained results are of interest for spectroscopic sensing of explosives. Запропоновано новий метод перестроювання спектральних характеристик підсилювання квантово-каскадних структур. Перестроювання здійснюється з використанням оптичної накачки в безперервному режимі та базується на ефекті заповнення фазового простору. Згідно з результатами математичного моделювання оптичних властивостей квантово- каскадних структур, запропонований метод дозволяє здійснити перестроювання спектральної характеристики підсилення в діапазоні до 1,1 меВ без суттєвих змін величини коефіцієнта підсилення в максимумі. Одержані результати є корисними в галузі спектроскопічного виявлення вибухових речовин. 2011 Article Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ / C.И. Петров, М.В. Клименко, А.В. Шулика // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 85-90. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78047 681.78:662.2 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Прикладна радіофізика
Прикладна радіофізика
spellingShingle Прикладна радіофізика
Прикладна радіофізика
Петров, С.И.
Клименко, М.В.
Шулика, А.В.
Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ
Радіофізика та електроніка
description Предложен новый метод перестройки спектральных характеристик усиления квантово-каскадных структур. Перестройка осуществлена с использованием оптической накачки в непрерывном режиме и основана на эффекте заполнения фазового пространства. Согласно результатам математического моделирования оптических свойств квантово-каскадных структур, предложенный метод позволяет реализовать перестройку спектральной характеристики усиления в пределах до 1,1 мэВ без значительного изменения величины коэффициента усиления в максимуме. Полученные результаты представляют интерес для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ.
format Article
author Петров, С.И.
Клименко, М.В.
Шулика, А.В.
author_facet Петров, С.И.
Клименко, М.В.
Шулика, А.В.
author_sort Петров, С.И.
title Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ
title_short Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ
title_full Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ
title_fullStr Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ
title_full_unstemmed Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ
title_sort оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ
publisher Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate 2011
topic_facet Прикладна радіофізика
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78047
citation_txt Оптическая перестройка спектральных характеристик квантово-каскадных структур для спектроскопического обнаружения взрывчатых веществ / C.И. Петров, М.В. Клименко, А.В. Шулика // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 85-90. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv AT petrovsi optičeskaâperestrojkaspektralʹnyhharakteristikkvantovokaskadnyhstrukturdlâspektroskopičeskogoobnaruženiâvzryvčatyhveŝestv
AT klimenkomv optičeskaâperestrojkaspektralʹnyhharakteristikkvantovokaskadnyhstrukturdlâspektroskopičeskogoobnaruženiâvzryvčatyhveŝestv
AT šulikaav optičeskaâperestrojkaspektralʹnyhharakteristikkvantovokaskadnyhstrukturdlâspektroskopičeskogoobnaruženiâvzryvčatyhveŝestv
first_indexed 2025-07-06T02:14:04Z
last_indexed 2025-07-06T02:14:04Z
_version_ 1836861929905192960
fulltext ППРРИИККЛЛААДДННАА РРААДДІІООФФІІЗЗИИККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 1 © ІРЕ НАН України, 2011 УДК 681.78:662.2 C. И. Петров, М. В. Клименко, А. В. Шулика ОПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕСТРОЙКА СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КВАНТОВО-КАСКАДНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Харьковский национальный университет радиоэлектроники 14, пр. Ленина, Харьков, 61166, Украина Е-mail: mikhail-klimenko@yandex.ru Предложен новый метод перестройки спектральных характеристик усиления квантово-каскадных структур. Перестройка осуществляется с использованием оптической накачки в непрерывном режиме и основана на эффекте заполнения фазового про- странства. Согласно результатам математического моделирования оптических свойств квантово-каскадных структур, предложенный метод позволяет реализовать перестройку спектральной характеристики усиления в пределах до 1,1 мэВ без значительного измене- ния величины коэффициента усиления в максимуме. Полученные результаты представляют интерес для спектроскопического обна- ружения взрывчатых веществ. Ил. 6. Библиогр.: 8 назв. Ключевые слова: квантово-каскадная структура, спектральная характеристика поглощения, матрица плотности, меж- зонные переходы, межподзонные переходы, оптическая перестройка, эффект заполнения фазового пространства. В последнее десятилетие все большую актуальность приобретает проблема бесконтакт- ного спектроскопического детектирования взрыв- чатых веществ. В связи с этим особый интерес представляет спектроскопия терагерцевого (ТГц) диапазона [1, 2]. Интерес к ТГц-спектроскопии обусловлен большой проникающей способностью ТГц-излучения и наличием особенностей в спек- тральных характеристиках поглощения ряда взрывчатых веществ в диапазоне 1...4 ТГц. Среди таких веществ следует отметить тринитротолуол (TNT), гексоген (RDX), пентаэритрит-тетранитрат (PETN) и др. [1], спектральные характеристики поглощения которых приведены на рис. 1. Рис. 1. Спектральные характеристики поглощения некоторых взрывчатых веществ [2]: 1  Semtex; 2  RDX; 3  PETN; 4  TNT Из указанных взрывчатых веществ PETN характеризуется наибольшими значениями бри- зантности, сравнительно высокими значениями скорости детонации и фугасности при хорошей химической стойкости, что делает его одним из наиболее опасных веществ в случае террористи- ческой угрозы. Анализ сообщений средств массо- вой информации свидетельствует о частых случаях использования PETN в террористических актах [3]. Кроме того, это вещество входит в состав других синтетических взрывчатых веществ, таких как Semtex [4], поэтому в настоящее время задача об- наружения PETN является особо актуальной. В вышеуказанном диапазоне частот спектральная характеристика PETN содержит два пика погло- щения на частотах 1,8 и 3,7 ТГц. Ширина спект- ральных полос поглощения на уровне половин- ной мощности пиков составляет 0,22 и 0,3 ТГц соответственно. У других веществ, встречающихся в бы- ту, спектры поглощения в ТГц-диапазоне, как правило, монотонно возрастают или содержат множество пиков, ширина которых гораздо мень- ше 1 мэВ. Следовательно, обнаружение в спект- ральной характеристике поглощения некоторого исследуемого вещества двух пиков на частотах 1,8 и 3,7 ТГц с шириной полосы поглощения, равной приблизительно 2...4 мэВ, свидетельст- вует о вероятном присутствии в нем PETN или его смесей (например, Semtex). Однако для практической реализации спектроскопического обнаружения каждого из пиков поглощения необходимо обладать высоко- эффективным перестраиваемым источником ла- зерного ТГц-излучения, диапазон перестройки которого соизмерим с шириной детектируемого пика. Этим требованиям удовлетворяют квантово- каскадные структуры (ККС) [2]. Для того чтобы квантовая эффективность лазера при перестройке не изменялась, совместно с перестройкой резонатора необходимо осу- ществлять и перестройку спектральных характе- ристик активного вещества. В работе [5] была показана возможность электрической перестрой- ки ККС в пределах 34...36 ТГц (8,33...8,80 мкм) без значительного изменения интенсивности фото- 0 1 2 3 0,22 ТГц 0,30 ТГц Частота, ТГц 1 2 3 4 П о гл о щ ен и е mailto:mikhail-klimenko@yandex.ru С. И. Петров и др. / Оптическая перестройка спектральных… _________________________________________________________________________________________________________________ 86 люми-несценции. Лазерные ККС, генерирующие в диапазоне 2...5 ТГц (8...20 мэВ), основаны на резонансных фононных переходах в инжекторе [6]. Особенность таких структур состоит в том, что электрическая перестройка сопровождается быстрым затуханием коэффициента усиления [6]. В этой работе нами предложен альтернативный метод перестройки спектральной характеристики усиления ККС с использованием межзонной оп- тической накачки; показано, что при определен- ном спектральном составе и интенсивности накачки можно получить перестройку без значи- тельного изменения коэффициента усиления в максимуме спектральной характеристики. 1. Влияние межзонных вынужденных переходов на межподзонные процессы погло- щения и усиления. Нами рассматривается пере- стройка спектральных характеристик так называ- емой трехъямной ККС [6], которая позволяет по- лучать ТГц-излучение (энергия излучения равна 15 мэВ) при температуре 180 К. Рассматриваемая структура находится под постоянным элект- рическим смещением с напряженностью электро- статического поля 12 кВ/см. Ее активная область со- держит две подзоны, которые являются туннельно- связанными с подзонами инжектора. Перенос электронов в инжекторе осуществляется посредст- вом резонансного рассеяния на оптических про- дольных фононах. Схема энергетических подзон рассматри- ваемой структуры представлена на рис. 2, где символы ij обозначают частоты Раби для раз- личных типов переходов. Этот рисунок совпадает с аналогичной схемой [6] за исключением допол- нительной пары валентных подзон v1 и v2, кото- рые необходимо включить в модель для описания влияния оптической накачки на межзонных пере- ходах. Рис. 2. Схема энергетических подзон рассматриваемой ККС Предложенный нами метод спектральной перестройки основан на управлении распределе- нием электронов в активных подзонах зоны про- водимости за счет оптически индуцированных межзонных переходов. Изменение населенности подзон в свою очередь приведет к изменению коэффициента поглощения/усиления вследствие эффекта заполнения фазового пространства [7]. Согласно теории матрицы плотности, взаимная зависимость населенности подзон и оптического отклика среды является следствием математиче- ской связи элементов матрицы плотности, которая определяется системой полупроводниковых урав- нений Блоха [7]. В результате энергетические пе- реходы между одной из пар подзон, вероятность которых определяется одним из недиагональных элементов матрицы плотности, влияет на осталь- ные элементы матрицы. Изменение населенности подзон зоны проводимости в результате межзон- ной оптической накачки представляет собой разно- видность нелинейного оптического эффекта, при- водящего к насыщению спектральной линии по- глощения. Следовательно, связь между интенсив- ностью излучения управляющих сигналов и из- менением населенности подзон можно получить из аналитического выражения, описывающего насыщение спектральной линии поглощения )/1/( 00 II , где   коэффициент нелиней- ного поглощения с учетом насыщения, 0  ли- нейный коэффициент поглощения, I  интенсив- ность излучения накачки, 0I  интенсивность насыщения. Подставив в это выражение извест- ную формулу для коэффициента линейного по- глощения на межзонных переходах, основанную на «Золотом правиле Ферми», после ряда при- ближений получим: k j j I I N N 0 0 1  , (1) где jN  концентрация оптически индуцирован- ных электронов в j-й подзоне зоны проводимости; 0 jN  концентрация электронов в j-й подзоне зоны проводимости при отсутствии управляющих сиг- налов; kI  интенсивность накачки в k-м канале; 0I  интенсивность насыщения. При выводе выражения (1) использова- лось приближение слабой зависимости от волно- вого вектора дипольного матричного элемента и интенсивности накачки. Интенсивность насыще- ния для GaAs/AlGaAs-гетероструктур с кванто- выми ямами зависит от времени спонтанной ре- комбинации, частоты излучения накачки и шири- ны квантовой ямы. Согласно выражению, полу- ченному в [8] в режиме слабого сигнала, интен- 2 3 4 1 Ephon Ephon 1 phE 2 phE ТГц phE 12 E 15 мэВ E 1,52 эВ k  0 v1 v2 4 41 34 23  v1,3  v2,2 С. И. Петров и др. / Оптическая перестройка спектральных… _________________________________________________________________________________________________________________ 87 сивность насыщения равна 4900 I Вт/см 2 для GaAs/AlGaAs-гетероструктур с квантовой ямой толщиной 100 Å. Помимо оптически сгенерированных электронов, в зоне проводимости находится неко- торое количество неравновесных носителей заря- да, обусловленных токовой накачкой и участвую- щих в генерации ТГц-излучения. В общем случае они не подчиняются распределению Ферми- Дирака. Однако, как показывают вычисления в совокупности с экспериментальными данными, их функция распределения в стационарном слу- чае хорошо аппроксимируется функцией Ферми- Дирака. Таким образом, зная общее число элект- ронов в подзоне и используя аппроксимацию функциями Ферми-Дирака, мы можем вычислить функцию распределения отдельно для каждой под- зоны. Функция распределения электронов необхо- дима для вычисления оптического отклика ККС. Линейные оптические свойства ККС в стационарном состоянии определяются из реше- ния поляризационного уравнения, являющегося одним из полупроводниковых уравнений Блоха [7]:     23 22 23 22 innpEEpi eekkkk   , (2) где kp  микроскопическая поляризация;   23 23 kdt  частота Раби;  t  напряжен- ность электрического поля излучения; 23 kd  ди- польный матричный элемент; 2 en и 3 en  функции распределения активных подзон зоны проводимо- сти; 23  энергия дефазировки. Данное выражение получено на основе упрощенной матрицы плотности, выведенной в работе [6]. Для получения этого уравнения мы пренебрегли неравновесными когерентными про- цессами обмена электронами между инжекторами и активной областью, что является достаточно хорошим приближением в случае стационарного режима генерации. Уравнение (2) является частью системы большого количества обыкновенных дифференциальных уравнений, определенных в каждой точке k-пространства. Уравнения являют- ся связанными из-за наличия описывающих кол- лективные явления членов, которые содержатся в перенормированных значениях частоты Раби и энергии подзон. Полученная система уравнений решалась численно методом Рунге-Кутта 4-го по- рядка. Микроскопическая поляризация определя- ет коэффициент поглощения посредством следу- ющего выражения:               k kk ccpd V F n c .. 1 23  , (3) где F  оператор преобразования Фурье;   цикли- ческая частота; n  показатель преломления; c  скорость света в вакууме; V  объем активной области. В этой работе эффекты многих тел [7] учитывались на уровне приближений Хартри- Фока. Их учет в данном случае необходим, так как он определяет энергию сдвига подзоны, рав- ную порядка единиц миллиэлектрон-вольт. Кол- лективные эффекты вносят вклад в сдвиг спект- ральных характеристик наряду с эффектом запол- нения фазового пространства. Выражения (1)(3) определяют связь между коэффициентом поглощения и интенсив- ностью управляющих сигналов в различных ка- налах накачки. 2. Оптические управляющие сигналы. Рассматриваемая нами оптическая накачка пода- ется в непрерывном режиме для ККС, выведен- ной в режим генерации. Для того чтобы сформу- лировать требования к спектральному составу оптических управляющих сигналов, с помощью которых осуществляется межзонная накачка, рас- смотрим значения интеграла перекрытия огиба- ющих функций электронов и дырок, представ- ленные на рис. 3. Рис. 3. Интеграл перекрытия огибающих функций электронов и дырок, принадлежащих различным парам подзон. Закра- шенные области отображают ширину полосы излучения накачки в каждом из каналов Интеграл перекрытия огибающих функ- ций прямо пропорционален дипольному матрич- ному элементу, который определяет правила от- бора и отображает интенсивность энергетическо- го перехода между заданной парой подзон. На рисунке символами обозначены межзонные энергетические переходы в активной области ККС. Все переходы с энергией до 1,5 эВ, происходящие в широких квантовых ямах инжекторов, нами не рассматриваются, поскольку они слабо влияют на межподзонные оптические переходы, происходя- щие в активной области. Как следует из результа- тов вычислений, наиболее интенсивные энергети- ческие переходы с участием активных лазерных подзон зоны проводимости e2 и e3 осуществля- ются между следующими парами подзон: И н те гр ал п ер ек р ы ти я о ги б аю щ и х ф у н к ц и й , о тн . ед . 1,47 1,48 1,49 1,50 1,51 1,52 1,53 1,54 Энергия, мэВ 1,00 0,75 0,50 0,25 С. И. Петров и др. / Оптическая перестройка спектральных… _________________________________________________________________________________________________________________ 88 – первая подзона легких дырок lh1 и подзона электронов e3; – первая подзона тяжелых дырок hh1 и подзона электронов e3; – первая подзона легких дырок lh1 и подзона электронов e2; – первая подзона тяжелых дырок hh1 и подзона электронов e2. Из этой совокупности возможных кана- лов накачки мы выбрали lh1–e3 и hh1–e2 с энер- гиями перехода 1,51 и 1,53 эВ соответственно. Такой выбор объясняется большим спектральным расстоянием между их энергиями переходов. В результате существует возможность использо- вания двух оптических сигналов с разной часто- той, что позволит независимо управлять населен- ностью каждой из активных. Поскольку энерге- тический зазор между подзонами hh1–e3 и lh1–e2 почти совпадает, осуществление накачки в этих каналах приведет к одновременному заселению подзон e2 и e3, что затруднит управление спект- ральными характеристиками. 3. Результаты математического моде- лирования. На рис. 4 представлены результаты вычисления спектральных характеристик для случая, когда управляющий оптический сигнал подается только по одному из каналов: 1 – отсутствие управляющих сигналов; 2 – I  100 Вт/см 2 (канал v2–e2); 3 – I  150 Вт/см 2 (канал v2–e2); 4 – I  50 Вт/см 2 (канал v1–e3); 5 – I  100 Вт/см 2 (канал v1–e3); 6 – I  150 Вт/см 2 (канал v1–e3); 7 – I  200 Вт/см 2 (канал v1–e3); 8 – I  250 Вт/см 2 (канал v1–e3). Рис. 4. Спектральные характеристики поглощения для разных значений интенсивности управляющего сигнала в одном из каналов накачки В случае, когда управляющие сигналы отсутствуют (кривая 1), максимум спектральной характеристики поглощения соответствует 14,5 мэВ, а значения коэффициента поглощения являются отрицательными, что характеризует режим усиления ККС. Как следует из данных, представленных на рис. 4, если накачка осу- ществляется в канале v1–е3 (кривые 4–8), проис- ходит общее уменьшение коэффициента усиле- ния, сопровождаемое сдвигом максимума спек- тральной характеристики в область малых энер- гий. Если накачка осуществляется в канале v2–e2 (кривые 2 и 3), наблюдается увеличение коэффи- циента усиления и сдвиг спектральной характе- ристики в область малых энергий. Уменьшение усиления происходит по причине заселения ниж- ней лазерной подзоны, а увеличение – вследствие увеличения населенности верхней подзоны. Сдвиг экстремумов спектральных характеристик проис- ходит из-за заполнения электронами k- пространства в той или иной подзоне в окрестно- сти центра зоны Бриллюэна. Результаты численного моделирования, представленные на рис. 5, показывают, что одно- временной накачкой в обоих каналах можно добиться перестройки спектральной характерис- тики без значительного изменения коэффициента усиления в максимуме. Рис. 5. Спектральные характеристики поглощения для разных значений интенсивности управляющих сигналов, подаваемых одновременно по обоим каналам накачки Здесь 1 – отсутствие управляющих сигна- лов; 2 – I(v1–е3)  80 Вт/см 2 , I(v2–е2)  100 Вт/см 2 ; 3 – I(v1–е3)  130 Вт/см 2 , I(v2–е2)  163 Вт/см 2 ; 4 – I(v1–е3)  180 Вт/см 2 , I(v2–е2)  240 Вт/см 2 ; 5 – I(v1–е3)  230 Вт/см 2 , I(v2–е2)  309,3 Вт/см 2 . Сохранение величины коэффициента усиления при перестройке приведет к постоянству кванто- вой эффективности прибора. Перестройка, полу- ченная за счет оптически индуцированного засе- ления активных подзон, обусловлена эффектом непараболичности подзон. При увеличении об- щей концентрации носителей заряда в зоне про- водимости область в k-пространстве, где при- сутствует инверсия населенности, сдвигается на периферию зоны Бриллюэна. В этих точках k-пространства энергия переходов меньше по сравнению с центром зоны Бриллюэна. 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 Энергия, мэВ К о эф ф и ц и ен т п о гл о щ ен и я , о тн . ед . 3 1,2 мэВ 0 –0,5 –1 2 1 8 7 6 5 4 0 –0,5 –1 К о эф ф и ц и ен т п о гл о щ ен и я , о тн . ед . 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 Энергия, мэВ 1 3 2 4 5 С. И. Петров и др. / Оптическая перестройка спектральных… _________________________________________________________________________________________________________________ 89 Таким образом, в общем случае величина сдвига спектральной характеристики зависит от непараболичности подзон. Чем больше разность эффективных масс верхней и нижней подзон, тем больше диапазон перестройки при заполнении k-пространства. В рассматриваемом случае GaAs/AlGaAs возможно достичь перестройки в пределах 1,0 мэВ. На рис. 6 показаны необходимые значе- ния интенсивности накачки, позволяющие полу- чить перестройку без изменения величины коэф- фициента усиления в максимуме спектральной характеристики. Рис. 6. Зависимость энергии перестройки спектральной характеристики усиления от интенсивности накачки в каналах v1e3 (кривая 1) и v2e2 (кривая 2) Как следует из представленных на рисун- ке данных, оптическая перестройка нелинейно зависит от интенсивности сигналов накачки и пре- терпевает насыщение начиная с значений интен- сивностей 177 Вт/см 2 в канале v1e3 и 240 Вт/см 2 в канале v2e2, при этом достигнув значения пере- стройки 1 мэВ. Термин «насыщение» в данном случае означает, что дальнейшее увеличение ин- тенсивности оптической накачки не меняет поло- жение пика спектральной характеристики усиле- ния на энергетической шкале. Каждому значению энергии перестройки на рис. 6 соответствуют два значения интенсивности накачки, которые не рав- ны друг другу. Кроме того, по мере увеличения энергии сдвига пика спектральной характеристи- ки усиления разность интенсивностей между ни- ми увеличивается. Таким образом, для увеличе- ния перестройки и сохранения неизменного уров- ня усиления необходимо производить увеличение интенсивности накачки в каждом из каналов с разной скоростью по определенному закону. Выводы. Таким образом, показана воз- можность оптической перестройки спектральной характеристики усиления трехъямной ККС без значительного изменения коэффициента усиления в максимуме. Это позволит, используя совместно оптическую перестройку ККС и перестройку ре- зонатора лазера, получить сдвиг частоты генера- ции без изменения выходной мощности прибора. Перестройка осуществляется путем оптической накачки на межзонных переходах, которая пода- ется на ККС, пребывающей в режиме генерации. Результаты математического моделирования пока- зывают, что в трехъямной ККС сдвиг спектраль- ной характеристики усиления достигает 1,0 мэВ, что составляет порядка 10 % от центральной час- тоты. Полученное значение приблизительно равно ширине полос поглощения PETN в ТГц-диапазоне частот. Это делает возможным применение опти- ческой перестройки для спектроскопического обна- ружения этого вещества. В случае если квантово- каскадный лазер настроен на центральную часто- ту одного из пиков поглощения PETN, такая пере- стройка позволит с большим разрешением полу- чить участок спектральной характеристики ис- следуемого вещества, на основании которого можно определить наличие или отсутствие пика поглощения, характеризующего взрывчатое ве- щество. Таким образом, используя два перестраи- ваемых квантово-каскадных лазера, каждый из которых настроен на определенный пик поглоще- ния спектральной характеристики PETN, можно с большой достоверностью провести детектирова- ние этого вещества. Сдвиг максимума спектральной характе- ристики определяется эффектом непараболич- ности подзон. Дальнейшего увеличения полосы перестройки можно достичь, используя полупро- водниковые материалы со значительной непара- боличностью зоны проводимости, такие как раз- реженные полупроводниковые нитриды. Увели- чение диапазона перестройки в 5 раз позволит использовать всего один источник для спектро- скопического анализа PETN. 1. Leahy-Hoppa M. R. Terahertz spectroscopy techniques for explosives detection / M. R. Leahy-Hoppa, M. J. Fitch, R. Osiander // Anal. Bioanal. Chem. – 2009. – 395. – P. 247–257. 2. Security application of terahertz technology / M. C. Kemp, P. F. Taday, B. E. Cole et al. // Proc. of SPIE. – 2003. – 5070. – P. 44–52. 3. Hsu S. S. Equipment to detect explosives is available // The Washingtonpost [Электронный ресурс].  Режим доступа: www/URL: http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/ article/2009 /12/27/AR2009122702021.html.  Загл. с экрана. 4. Akhavan J. The chemistry of explosives / J. Akhavan.  2nd edition.  Cambridge: The Royal Society of Chemistry, 2004. – 181 p. 5. Electrically tunable, high performance quantum-cascade laser / A. Bismuto, R. Terazzi, M. Beck, J. Faist // Appl. Phys. Lett. – 2010. – 96, N 14. – 141105(3 p.). 6. Dupont E. Simplified density-matrix model applied to three- well terahertz quantum cascade lasers / E. Dupont, S. Fathololoumi, H. C. Liu // Phys. Rev. B. – 2010. – 81, N 20.  205311(18 p.). 7. Haug H. Quantum theory of the optical and electronic properties of semiconductors / H. Haug, S. W. Koch.  4th edition.  Singapore: World Scientific, 2004.  453 p. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Э н ер ги я , м эВ 0 50 100 150 200 250 300 350 Интенсивность накачки, Вт/см2 1 2 http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/ http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2009/12/ http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2009/12/ http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2009/12/27/AR2009122702021.html С. И. Петров и др. / Оптическая перестройка спектральных… _________________________________________________________________________________________________________________ 90 8. Room temperature excitonic nonlinear absorption and refraction in GaAs/AlGaAs multiple quantum well structures / D. S. Chemla, D. A. B. Miller, P. W. Smith et al. // IEEE J. Quantum Electron. – 1983.  QE-20, N 3.  P. 265275. S. I. Petrov, M. V. Klymenko, O. V. Shulika OPTICAL SPECTRAL TUNING IN QUANTUM-CASCADE STRUCTURES FOR SPECTROSCOPIC SENSING OF EXPLOSIVES In this paper we propose a new approach to spectral tuning in quantum-cascade structures. Based on phase space filling effect, spectral tuning is accompanied by the continuous optical pump. According to mathematical modeling of optical properties of quantum cascade-structures, proposed method allow to realize tuning in the range up to 1.1 meV without significant changes of peak gain magnitude. Obtained results are of interest for spectroscopic sensing of explosives. Key words: quantum-cascade structure, absorption spectra, density matrix, interband transitions, intersubband transi- tions, optical pump, phase space filling effect. C. І. Петров, М. В. Клименко, О. В. Шуліка ОПТИЧНЕ ПЕРЕСТРОЮВАННЯ СПЕКТРАЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК КВАНТОВО-КАСКАДНИХ СТРУКТУР ДЛЯ СПЕКТРОСКОПІЧНОГО ВИЯВЛЕННЯ ВИБУХОВИХ РЕЧОВИН Запропоновано новий метод перестроювання спект- ральних характеристик підсилювання квантово-каскадних структур. Перестроювання здійснюється з використанням оптичної накачки в безперервному режимі та базується на ефекті заповнення фазового простору. Згідно з результатами математичного моделювання оптичних властивостей квантово- каскадних структур, запропонований метод дозволяє здійснити перестроювання спектральної характеристики підсилення в діапазоні до 1,1 меВ без суттєвих змін величини коефіцієнта підсилення в максимумі. Одержані результати є корисними в галузі спектроскопічного виявлення вибухових речовин. Ключові слова: квантово-каскадна структура, спект- ральна характеристика поглинання, матриця густини, міжзонні переходи, міжпідзонні переходи, оптичне перестроювання, ефект заповнення фазового простору. Рукопись поступила 24.11.10 г.

Схожі ресурси