Усиление звука вынужденным излучением - Sound amplification by stimulated emission of radiation

Фононное лазерное устройство

Усиление звука за счет вынужденного излучения излучения (SASER) относится к устройству, излучающему акустическое излучение. Он фокусирует звуковые волны таким образом, что они могут служить точными и высокоскоростными носителями информации во многих областях применения - аналогично использованию лазерного света.

Акустическое излучение ( звуковые волны ) может излучаться с использованием способа усиления звука , основанным на вынужденном излучении от фононов . Звук (или колебание решетки) можно описать фононом так же, как свет можно рассматривать как фотоны , и поэтому можно утверждать, что SASER является акустическим аналогом лазера.

В устройстве SASER источник (например, электрическое поле в качестве накачки) производит звуковые волны (колебания решетки, фононы), которые проходят через активную среду. В этой активной среде вынужденное излучение фононов приводит к усилению звуковых волн, в результате чего звуковой луч выходит из устройства. Пучки звуковых волн, излучаемые такими устройствами, очень когерентны .

Первые успешные SASER были разработаны в 2009 году.

Терминология

Вместо волны электромагнитного излучения с обратной связью (например, лазерного луча) SASER излучает звуковую волну. SASER также может называться фононным лазером , акустическим лазером или звуковым лазером .

Использование и приложения

SASER могут найти широкое применение. Помимо облегчения исследования ультразвука в терагерцовом диапазоне, SASER также, вероятно, найдет применение в оптоэлектронике (электронные устройства, которые обнаруживают и контролируют свет - как метод передачи сигнала от одного конца к другому, например, в волоконной оптике). ), как метод модуляции и / или передачи сигнала.

Такие устройства могут быть высокоточными измерительными приборами, и они могут давать сфокусированный звук с высокой энергией.

Использование SASER для управления электронами внутри полупроводников теоретически может привести к созданию компьютерных процессоров с терагерцовой частотой, которые намного быстрее, чем нынешние микросхемы.

История

Эта концепция может быть более понятной, если представить ее по аналогии с теорией лазера. Теодор Мейман использовал первый действующий ЛАЗЕР 16 мая 1960 года в исследовательских лабораториях Хьюза, Малибу, Калифорния. Устройство, работающее в соответствии с центральной идеей теории «усиления звука за счет вынужденного излучения излучения», - это термоакустический лазер . Это полуоткрытая труба с перепадом тепла через специальный пористый материал, вставленный в трубу. Как и световой лазер, термоакустический SASER имеет резонатор с высокой добротностью и использует усиливающую среду для усиления когерентных волн. Для дальнейшего объяснения см. Термоакустический тепловой двигатель .

Возможность фононного лазерного воздействия была предложена в широком диапазоне физических систем, таких как наномеханика, полупроводники , наномагнетики и парамагнитные ионы в решетке.

Для разработки SASER потребовалось найти материалы, которые стимулируют излучение. Генерация когерентных фононов в двухбарьерной полупроводниковой гетероструктуре была впервые предложена примерно в 1990 году. Преобразование электрической потенциальной энергии в колебательную моду решетки заметно облегчается за счет электронного ограничения в двухбарьерной структуре. Исходя из этого, физики искали материалы, в которых стимулированное излучение, а не спонтанное излучение, является доминирующим процессом распада. Впервые устройство было экспериментально продемонстрировано в диапазоне гигагерц в 2009 году.

Анонсированные в 2010 году две независимые группы разработали два разных устройства, которые производят когерентные фононы на любой частоте в диапазоне от мегагерц до терагерц. В одну группу из Ноттингемского университета входили А. Дж. Кент и его коллеги Р. П. Бердсли, А. В. Акимов, В. Марьям и М. Хенини. Другая группа из Калифорнийского технологического института (Калифорнийского технологического института) состояла из Ивана С. Грудинина, Хансуека Ли, О. Пейнтера и Керри Дж. Вахала из Калифорнийского технологического института, которые провели исследование действия фононного лазера в настраиваемой двухуровневой системе. Устройство Ноттингемского университета работает на частоте около 440 ГГц, а устройство Caltech - в мегагерцовом диапазоне. По словам члена Ноттингемской группы, эти два подхода дополняют друг друга, и должна быть возможность использовать одно устройство или другое для создания когерентных фононов на любой частоте в диапазоне от мегагерц до терагерц. Значительный результат дает рабочая частота этих устройств. Различия между этими двумя устройствами предполагают, что SASER можно заставить работать в широком диапазоне частот.

Работа над сазером продолжается в университете Ноттингема, в Лашкареве Институте физики полупроводников в Национальной академии наук Украины и Калифорнийской технологическом институте.

Дизайн

Основная идея SASER основана на звуковых волнах. Установка, необходимая для усиления звука за счет вынужденного излучения излучения, аналогична генератору. Генератор может производить колебания без какого-либо внешнего механизма подачи. Примером может служить обычная система звукоусиления с микрофоном, усилителем и динамиком. Когда микрофон находится перед динамиком, мы слышим раздражающий свист. Этот свист генерируется без дополнительной отдачи от источника звука, является самоусиливающимся и самодостаточным, в то время как микрофон находится где-то перед динамиком. Это явление, известное как эффект Ларсена , является результатом положительной обратной связи.

Следует учитывать аналогию между лазером и устройством SASER. Компоненты типичного лазера:
  1. Получить средний
  2. Энергия накачки лазера
  3. Высокий отражатель
  4. Выходной соединитель
  5. Лазерный луч

В общем, каждый осциллятор состоит из трех основных частей. Это источник питания или насос, усилитель и положительная обратная связь, ведущая к выходу. Соответствующими частями в устройстве SASER являются механизм возбуждения или накачки, активная (усиливающая) среда и обратная связь, приводящая к акустическому излучению. Накачка может производиться, например, переменным электрическим полем или некоторыми механическими колебаниями резонаторов. Активная среда должна быть материалом, в котором можно вызвать усиление звука. Примером механизма обратной связи в активной среде является существование слоев сверхрешетки, которые отражают фононы и заставляют их многократно отскакивать для усиления звука.

Следовательно, чтобы перейти к пониманию конструкции SASER, нам нужно представить ее по аналогии с лазерным устройством. В лазере активная среда расположена между двумя зеркальными поверхностями (отражателями) интерферометра Фабри – Перо . Спонтанно испускаемый фотон внутри этого интерферометра может заставить возбужденные атомы распадаться на фотон той же частоты, того же импульса, той же поляризации и той же фазы. Поскольку импульс (как вектор) фотона почти параллелен осям зеркал, фотоны могут повторять многократные отражения и заставлять все больше и больше фотонов следовать за ними, создавая лавинный эффект. Число фотонов этого когерентного лазерного луча увеличивается и конкурирует с числом фотонов, погибших из-за потерь. Основным необходимым условием генерации лазерного излучения является инверсия населенностей , которая может быть достигнута либо возбуждением атомов и наведением удара, либо внешним поглощением излучения. Устройство SASER имитирует эту процедуру, используя источник-насос для возбуждения звукового пучка фононов. Этот звуковой луч распространяется не в оптическом резонаторе, а в другой активной среде. Пример активной среды - сверхрешетка. Сверхрешетка может состоять из множества ультратонких решеток двух разных полупроводников . Эти два полупроводниковых материала имеют разные запрещенные зоны и образуют квантовые ямы - потенциальные ямы, которые удерживают частицы для движения в двух измерениях вместо трех, заставляя их занимать плоскую область. В сверхрешетке составлен новый набор правил выбора, который влияет на условия прохождения зарядов через структуру. Когда эта установка возбуждается источником, фононы начинают размножаться, отражаясь от уровней решетки, пока они не выйдут из структуры решетки в виде пучка фононов сверхвысокой частоты.

Структура сверхрешетки из полупроводниковых слоев (AlAs, GaAs). Акустические волны усиливаются

А именно, согласованное излучение фононов может привести к когерентному звуку, и примером согласованного излучения фононов является излучение, исходящее из квантовых ям. Он находится на том же пути, что и лазер, где когерентный свет может накапливаться за счет согласованного вынужденного излучения света от множества атомов . Устройство SASER преобразует электрическую потенциальную энергию в единственную колебательную моду решетки (фонон).

Среда, в которой происходит усиление, состоит из стопок тонких слоев полупроводников, которые вместе образуют квантовые ямы. В этих скважинах, электроны могут быть возбуждены участками ультразвука милли электронвольт энергии. Это количество энергии эквивалентно частоте от 0,1 до 1 ТГц.

Физика

Нормальные моды от вибрации прогрессии через кристалл в 1D. Амплитуда движения увеличена для удобства просмотра; в реальном кристалле он обычно намного меньше шага решетки . Энергия колебаний решетки может принимать дискретные значения для каждого возбуждения. Каждый из этих «пакетов возбуждения» называется фононным .

Подобно тому, как свет представляет собой волновое движение, которое считается составленным из частиц, называемых фотонами, мы можем думать о нормальных модах колебаний в твердом теле как о частицах. Квантовая решетка вибрации называется фононом . В динамике решетки мы хотим найти нормальные режимы колебаний кристалла. Другими словами, нам нужно вычислить энергии (или частоты) фононов как функцию их волнового вектора k . Связь между частотой ω и волновым вектором k называется фононной дисперсией.

Свет и звук во многом похожи. Их обоих можно представить в терминах волн, и оба они представлены в квантово-механических единицах. В случае света у нас есть фотоны, а в звуке - фононы. И звук, и свет могут создаваться как случайные совокупности квантов (например, свет, излучаемый лампочкой) или упорядоченные волны, которые распространяются в согласованной форме (например, лазерный свет). Этот параллелизм подразумевает, что лазеры должны работать как со звуком, так и со светом. В 21 веке легко воспроизводить низкочастотный звук в диапазоне, который люди могут слышать (~ 20 кГц), в произвольной или упорядоченной форме. Однако на терагерцовых частотах в режиме приложений фононных лазеров возникают большие трудности. Проблема заключается в том, что звук распространяется намного медленнее света. Это означает, что длина волны звука намного короче света на данной частоте. Вместо того, чтобы создавать упорядоченные когерентные фононы, лазерные структуры, которые могут воспроизводить терагерцовый звук, как правило, испускают фононы случайным образом. Исследователи преодолели проблему терагерцовых частот, следуя различным подходам. Ученые из Калифорнийского технологического института решили эту проблему, собрав пару микроскопических полостей, которые позволяют излучать только определенные частоты фононов. Эту систему также можно настроить на излучение фононов разных частот, изменив относительное разделение микрополостей. С другой стороны, группа из Ноттингемского университета придерживалась другого подхода. Они построили свое устройство из электронов, движущихся через ряд структур, известных как квантовые ямы. Вкратце, когда электрон перескакивает из одной квантовой ямы в другую соседнюю яму, он производит фонон.

Накачка внешней энергии (например, световой луч или напряжение) может помочь возбуждению электрона. Релаксация электрона из одного из верхних состояний может происходить путем испускания фотона или фонона. Это определяется плотностью состояний фононов и фотонов. Плотность состояний - это количество состояний на единицу объема в интервале энергии ( E , E + dE ), которые могут быть заняты электронами . И фононы, и фотоны являются бозонами и, следовательно, подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна . Это означает, что, поскольку бозоны с одинаковой энергией могут занимать одно и то же место в пространстве, фононы и фотоны являются частицами- носителями силы и имеют целые спины. Есть больше разрешенных состояний, доступных для заполнения в фононном поле, чем в фотонном поле. Следовательно, поскольку плотность терминальных состояний в поле фононов превышает плотность в поле фотонов (до ~ 10 5 ), испускание фононов является гораздо более вероятным событием. Мы могли бы также представить себе концепцию, в которой возбуждение электрона на короткое время приводит к колебаниям решетки и, следовательно, к генерации фононов. Энергия колебаний решетки может принимать дискретные значения для каждого возбуждения. Каждый из этих «пакетов возбуждения» называется фононным. Электрон не пребывает в возбужденном состоянии слишком долго. Он легко высвобождает энергию, чтобы вернуться в свое стабильное низкоэнергетическое состояние. Электроны выделяют энергию в любом случайном направлении и в любое время (после возбуждения). В определенные моменты некоторые электроны возбуждаются, в то время как другие теряют энергию таким образом, что средняя энергия системы является минимально возможной.

Сверхрешетка GaAs / AlAs и потенциальный профиль зоны проводимости и валентной зоны вдоль направления роста (z).

Накачивая энергию в систему, мы можем добиться инверсии населенности. Это означает, что возбужденных электронов больше, чем электронов в состоянии с наименьшей энергией в системе. Когда электрон выделяет энергию (например, фонон), он взаимодействует с другим возбужденным электроном, чтобы также высвободить свою энергию. Следовательно, у нас есть вынужденное излучение, что означает, что одновременно выделяется много энергии (например, акустическое излучение, фононы). Можно упомянуть, что вынужденное излучение - это процедура, при которой у нас одновременно есть спонтанное и индуцированное излучение. Индуцированное излучение возникает в результате процедуры накачки, а затем добавляется к спонтанному излучению.

Устройство SASER должно состоять из насосного механизма и активной среды. Процедура накачки может быть вызвана, например, переменным электрическим полем или некоторыми механическими колебаниями резонаторов с последующим акустическим усилением в активной среде. Тот факт, что SASER работает по принципам, очень похожим на принципы работы лазера, может облегчить понимание соответствующих условий эксплуатации. Вместо мощной волны электромагнитного излучения с обратной связью, SASER создает мощную звуковую волну. К настоящему времени были предложены некоторые методы усиления звука в диапазоне ГГц – ТГц. Некоторые из них были исследованы только теоретически, а другие исследовались в некогерентных экспериментах.

Отметим, что акустические волны от 100 ГГц до 1 ТГц имеют длины волн в нанометровом диапазоне. Усиление звука в соответствии с экспериментом, проведенным в Ноттингемском университете, могло быть основано на индуцированном каскаде электронов в полупроводниковых сверхрешетках . Уровни энергии электронов ограничены слоями сверхрешетки. Когда электроны прыгают между квантовыми ямами арсенида галлия в сверхрешетке, они испускают фононы. Затем один фонон , входящий внутрь, производит два фонона, выходящих из сверхрешетки. Этот процесс может стимулироваться другими фононами и затем вызывать акустическое усиление. При добавлении электронов образуются коротковолновые (в терагерцовом диапазоне) фононы. Поскольку электроны ограничены квантовыми ямами, существующими внутри решетки, передача их энергии зависит от фононов, которые они генерируют. Когда эти фононы сталкиваются с другими слоями решетки, они возбуждают электроны, которые производят новые фононы, которые возбуждают еще больше электронов, и так далее. В конце концов из устройства выходит очень узкий луч высокочастотного ультразвука . Полупроводниковые сверхрешетки используются в качестве акустических зеркал. Эти сверхрешеточные структуры должны иметь правильный размер в соответствии с теорией многослойного распределенного брэгговского отражателя , подобно многослойным диэлектрическим зеркалам в оптике.

Предлагаемые схемы и устройства

Базовое понимание разработки SASER требует оценки некоторых предложенных примеров устройств SASER и теоретических схем SASER.

Жидкость с пузырьками газа в качестве активной среды

В предлагаемой теоретической схеме активной средой является жидкий диэлектрик (например, обычная дистиллированная вода), в котором равномерно распределены диспергированные частицы. Средства электролиза вызывают появление пузырьков газа, которые служат дисперсными частицами. Накачиваемая волна, возбуждаемая в активной среде, вызывает периодическое изменение объемов диспергированных частиц (пузырьков газа). Поскольку исходное пространственное распределение частиц однородно, излучаемые частицами волны складываются с разными фазами и в среднем дают ноль. Тем не менее, если активная среда находится в резонаторе, то в нем может возбуждаться стоячая мода. Затем частицы группируются под действием сил акустического излучения. В этом случае колебания пузырьков автосинхронизируются, и полезная мода усиливается.

Сходство этого с лазером на свободных электронах полезно для понимания теоретических концепций схемы. В ЛСЭ электроны движутся через магнитные периодические системы, производя электромагнитное излучение. Излучение электронов изначально некогерентно, но затем из-за взаимодействия с полезной электромагнитной волной они начинают группироваться в соответствии с фазой и становятся когерентными. Таким образом, электромагнитное поле усиливается.

Схема SASER с электрической накачкой - Активная среда ограничена в резонаторе твердыми стенками. Электромагнитная система создает периодическое электрическое поле, вызывающее полезную акустическую моду и акустическое излучение.

Отметим, что в случае пьезоэлектрических излучателей, обычно используемых для генерации ультразвука , излучает только рабочая поверхность, поэтому рабочая система является двумерной. С другой стороны, устройство усиления звука вынужденным излучением излучения представляет собой трехмерную систему, поскольку излучает весь объем активной среды.

Газожидкостная смесь активной среды заполняет резонатор. Плотность пузырьков в жидкости изначально равномерно распределена в пространстве. Поскольку волна распространяется в такой среде, волна накачки приводит к появлению дополнительной квазипериодической волны. Эта волна связана с пространственным изменением плотности пузырьков под действием сил радиационного давления. Следовательно, амплитуда волны и плотность пузырьков изменяются медленно по сравнению с периодом колебаний.

В теоретической схеме, где использование резонаторов существенно, излучение SASER проходит через стенки резонатора, которые перпендикулярны направлению распространения волны накачки. Согласно примеру SASER с электрической накачкой, активная среда ограничена двумя плоскостями, которые определяются твердыми стенками резонатора. Затем излучение распространяется вдоль оси, параллельной плоскости, определяемой двумя стенками резонатора. Статическое электрическое поле, действующее на жидкость с пузырьками газа, приводит к деформации диэлектриков и, следовательно, к изменению объемов частиц. Отметим, что электромагнитные волны в среде распространяются со скоростью, намного превышающей скорость звука в той же среде. Это приводит к предположению, что эффективная волна накачки, действующая на пузырьки, не зависит от пространственных координат. Давление волновой накачки в системе приводит как к возникновению обратной волны, так и к динамической неустойчивости системы.

Математический анализ показал, что для начала генерации колебаний необходимо преодолеть два типа потерь. Потери первого типа связаны с рассеянием энергии внутри активной среды, а потери второго типа связаны с радиационными потерями на концах резонатора. Эти типы потерь обратно пропорциональны количеству энергии, запасенной в резонаторе. В общем, неравномерность радиаторов не играет роли ни при каких математических расчетах начальных условий. Пузырьки с резонансными частотами, близкими к частоте накачки, вносят основной вклад в усиление полезной моды. Напротив, определение начального давления в обычных лазерах не зависит от количества излучателей. Полезный режим растет с количеством частиц, но в то же время увеличивается звукопоглощение. Оба эти фактора нейтрализуют друг друга. Пузыри играют основную роль в рассеянии энергии в SASER.

Соответствующая предложенная схема усиления звука за счет вынужденного излучения излучения с использованием пузырьков газа в качестве активной среды была введена примерно в 1995 г. Накачка создается за счет механических колебаний цилиндрического резонатора, а фазовая группировка пузырьков осуществляется за счет сил акустического излучения. Примечательно, что пузырьки газа могут колебаться только под внешним воздействием, но не спонтанно. Согласно другим предложенным схемам электрострикционные колебания объемов дисперсных частиц в цилиндрическом резонаторе реализуются переменным электромагнитным полем. Однако схема SASER с переменным электрическим полем в качестве насоса имеет ограничение. Для реализации усиления требуется очень большая амплитуда электрического поля (до десятков кВ / см). Такие значения приближаются к интенсивности электрического прокола жидких диэлектриков. Следовательно, в исследовании предлагается схема SASER без этого ограничения. Перекачка создается за счет радиальных механических пульсаций цилиндра. В этом цилиндре находится активная среда - жидкий диэлектрик с пузырьками газа. Излучение выходит через грани цилиндра.

Узкозонные непрямые полупроводники и экситоны в связанных квантовых ямах

Предложение о разработке фононного лазера на резонансных фононных переходах было внесено группой из Института спектроскопии в Москве, Россия. Были упомянуты две схемы стационарной генерации вынужденных фононов. В первой схеме используется узкозонная непрямая полупроводниковая или аналогичная непрямозонная полупроводниковая гетероструктура, где настройка на резонанс однофононного перехода электрон-дырочной рекомбинации может осуществляться за счет внешнего давления, магнитных или электрических полей. Во второй схеме используется однофононный переход между уровнями прямого и непрямого экситонов в связанных квантовых ямах . Отметим, что экситон - это электрически нейтральная квазичастица , описывающая элементарное возбуждение конденсированного состояния. Он может транспортировать энергию без транспортировки чистого электрического заряда. Настроить на резонанс этого перехода можно путем инженерии дисперсии непрямого экситона внешними плоскими магнитными и нормальными электрическими полями.

Зоны Бриллюэна, а) в квадратной решетке, б) в гексагональной решетке

Величина волнового вектора фонона во второй предложенной схеме должна определяться величиной плоского магнитного поля . Следовательно, такой тип SASER можно настраивать (т.е. его рабочую длину волны можно изменять управляемым образом).

Обычные полупроводниковые лазеры могут быть реализованы только в прямозонных полупроводниках. Причина этого заключается в том, что пара электрона и дырки вблизи минимумов их зон в непрямозонном полупроводнике может рекомбинировать только с образованием фонона и фотона из-за законов сохранения энергии и импульса . Такой процесс слаб по сравнению с электронно-дырочной рекомбинацией в прямом полупроводнике. Следовательно, накачка этих переходов должна быть очень интенсивной, чтобы получить устойчивую лазерную генерацию. Следовательно, лазерный переход с образованием только одной частицы - фотона - должен быть резонансным. Это означает, что в соответствии с законами сохранения импульса и энергии лазерный переход должен генерироваться в установившейся форме. Фотоны имеют пренебрежимо малые волновые векторы, и поэтому крайние значения полос должны находиться в том же положении, что и зона Бриллюэна . С другой стороны, для таких устройств, как SASER, акустические фононы имеют значительную дисперсию. Согласно динамике это приводит к утверждению, что уровни, на которых должен работать лазер, должны находиться в k-пространстве относительно друг друга. K-пространство относится к пространству, в котором вещи выражаются с точки зрения импульса и частоты, а не положения и времени. Преобразование между реальным пространством и k-пространством - это математическое преобразование, называемое преобразованием Фурье, и поэтому k-пространство также может называться пространством Фурье.

Отметим, что разница в энергии уровней генерации фотонов должна быть как минимум меньше, чем энергия Дебая в полупроводнике. Здесь мы можем рассматривать энергию Дебая как максимальную энергию, связанную с колебательными модами решетки. Такие уровни могут быть образованы зоной проводимости и валентной зоной в узкозонных непрямых полупроводниках.

Узкозонный непрямой полупроводник как система SASER

Энергетическая щель в полупроводнике под действием давления или магнитного поля незначительно изменяется и поэтому не заслуживает какого-либо рассмотрения. С другой стороны, в узкозонных полупроводниках это изменение энергии является значительным, и поэтому внешнее давление или магнитное поле могут служить цели настройки на резонанс однофононного межзонного перехода. Обратите внимание, что межзонный переход - это переход между зоной проводимости и валентной зоной. Эта схема рассматривает непрямые полупроводники вместо прямых полупроводников. Причина этого заключается в том, что из-за правила k-отбора в полупроводниках межзонные переходы с образованием только одного фонона могут быть только теми, которые производят оптический фонон. Однако у оптических фононов короткое время жизни (они разделяются на два из-за ангармонизма), и поэтому они добавляют некоторые важные сложности. Здесь можно отметить, что даже в случае многоступенчатого процесса создания акустических фононов возможно создание SASER.

Соотношение дисперсии ω = ω ( k ) для некоторых волн, соответствующих колебаниям решетки в GaAs.

Примерами узкозонных непрямых полупроводников, которые могут быть использованы, являются халькогениды PbTe, PbSe и PbS с запрещенной зоной 0,15–0,3 эВ. Для той же схемы может быть более эффективным использование полупроводниковой гетероструктуры (слои из разных полупроводников) с узкой запрещенной зоной, непрямым по импульсному пространству между валентной зоной и зоной проводимости. Это могло бы быть более перспективным, поскольку пространственное разделение слоев дает возможность настройки межзонного перехода в резонанс внешним электрическим полем. Существенным утверждением здесь является то, что предлагаемый фононный лазер может работать, только если температура намного ниже, чем запрещенная зона в полупроводнике.

При анализе этой теоретической схемы было введено несколько предположений из соображений простоты. Метод накачки сохраняет систему электронейтральной, а законы дисперсии электронов и дырок считаются параболическими и изотропными. Также требуется, чтобы закон дисперсии фононов был линейным и изотропным. Поскольку вся система электронейтральна, в процессе накачки электроны и дырки образуются с одинаковой скоростью. Математический анализ приводит к уравнению для среднего числа электронно-дырочных пар на одну фононную моду на единицу объема. Для предела малых потерь это уравнение дает нам довольно умеренную скорость накачки для SASER по сравнению с обычными фононными лазерами на p − n-переходе.

Перестраиваемый экситонный переход в связанных квантовых ямах

Было упомянуто, что квантовая яма - это, по сути, потенциальная яма, которая ограничивает движение частиц в двух измерениях вместо трех, заставляя их занимать плоскую область. В связанных квантовых ямах есть два возможных способа связывания электронов и дырок в экситон : непрямой экситон и прямой экситон. В непрямом экситоне электроны и дырки находятся в разных квантовых ямах, в отличие от прямого экситона, где электроны и дырки расположены в одной яме. В случае, когда квантовые ямы идентичны, оба уровня имеют двукратное вырождение. Уровень прямого экситона ниже уровня непрямого экситона из-за большего кулоновского взаимодействия. Кроме того, непрямой экситон имеет электрический дипольный момент, нормальный к связанной квантовой яме, и, таким образом, движущийся непрямой экситон имеет магнитный момент в плоскости, перпендикулярный его скорости. Любое взаимодействие его электрического диполя с нормальным электрическим полем понижает один из подуровней непрямых экситонов, и в достаточно сильных электрических полях движущийся непрямой экситон становится основным экситонным уровнем. Имея в виду эти процедуры, можно выбрать скорость, чтобы иметь взаимодействие между магнитным диполем и магнитным полем в плоскости. Это смещает минимум закона дисперсии из зоны излучения. Важность этого заключается в том факте, что электрическое и плоское магнитные поля, нормальные к связанным квантовым ямам, могут управлять дисперсией непрямых экситонов. Нормальное электрическое поле необходимо для настройки перехода: прямой экситон -> непрямой экситон + фонон в резонанс, и его величина может образовывать линейную функцию с величиной плоского магнитного поля. Отметим, что математический анализ этой схемы рассматривает продольные акустические (ЛА) фононы вместо поперечных акустических (ТА) фононов. Это нацелено на более простые численные оценки. Как правило, предпочтение отдается поперечным акустическим (ТА) фононам, потому что ТА-фононы имеют меньшую энергию и большее время жизни, чем ЛА-фононы. Поэтому их взаимодействие с электронной подсистемой слабое. Кроме того, для более простых количественных оценок требуется накачка прямого экситонного уровня с помощью лазерного излучения .

Дальнейший анализ схемы может помочь нам установить дифференциальные уравнения для прямых экситонных, непрямых экситонных и фононных мод. Решение этих уравнений дает, что отдельно фононные и непрямые экситонные моды не имеют определенной фазы и определяется только сумма их фаз. Цель здесь - проверить, может ли работа этой схемы при довольно умеренной скорости накачки выдерживать тот факт, что экситоны в связанных квантовых ямах имеют низкую размерность по сравнению с фононами. Следовательно, рассматриваются фононы, не заключенные в связанной квантовой яме. Примером являются продольные оптические (LO) фононы, которые находятся в гетероструктуре AlGaAs / GaAs, и, таким образом, фононы, представленные в этой предлагаемой системе, являются трехмерными. Различия в размерностях фононов и экситонов приводят к переходу верхнего уровня во многие состояния фононного поля. Применяя эту информацию к конкретным уравнениям, мы можем прийти к желаемому результату. Несмотря на различие размерностей фононов и экситонов, дополнительных требований к лазерной накачке нет .

Настраиваемая двухуровневая система

Действие фононного лазера было заявлено в широком диапазоне физических систем (например, в полупроводниках ). В публикации 2012 года Департамента прикладной физики Калифорнийского технологического института ( Caltech ) представлена ​​демонстрация составной системы микрополостей в сочетании с радиочастотной механической модой, которая работает аналогично двухуровневой лазерной системе. .

Эту сложную систему микрополостей можно также назвать « фотонной молекулой ». Гибридизированные орбитали электрической системы заменяются оптическими супермодами этой фотонной молекулы, в то время как переходы между соответствующими уровнями энергии индуцируются фононным полем. Для типичных условий оптических микрорезонаторов фотонная молекула ведет себя как двухуровневая лазерная система. Тем не менее, существует причудливая инверсия между ролями активной среды и мод резонатора (лазерного поля). Среда становится чисто оптической, а лазерное поле создается материалом как фононная мода.

Инверсия дает усиление, вызывая воздействие фононного лазера выше пороговой мощности накачки около 7 мкВт. Предлагаемое устройство отличается непрерывно регулируемым спектром усиления, который избирательно усиливает механические моды от радиочастот до микроволновых . Рассматриваемая как процесс Бриллюэна, система переходит в режим, в котором фонон играет роль стоксовой волны . Волна Стокса относится к нелинейной и периодической поверхностной волне на невязком слое жидкости (предполагается, что идеальная жидкость не имеет вязкости) с постоянной средней глубиной. По этой причине также должно быть возможно контролируемое переключение между фононным и фононным режимами лазера.

Составные оптические микрополостные системы обеспечивают удобное управление спектром. Эти элементы управления влияют как на действие фононного лазера, так и на охлаждение, и определяют некоторые мелко разнесенные оптические уровни, энергии переходов которых пропорциональны энергиям фононов . Эти расстояния между уровнями можно плавно настраивать путем значительного изменения оптической связи. Следовательно, усиление и охлаждение происходят вокруг настраиваемого центра линии, в отличие от некоторых оптомеханических явлений резонатора. Создание этих мелко разнесенных уровней не требует увеличения размеров оптической микрополости. Следовательно, эти мелко расположенные уровни не влияют в значительной степени на силу оптомеханического взаимодействия. Подход использует интермодальную связь, вызванную давлением излучения, а также может обеспечить спектрально-селективный способ обнаружения фононов. Более того, в экспериментах такого рода наблюдаются некоторые признаки интермодального охлаждения, и, следовательно, есть интерес к оптомеханическому охлаждению. В целом возможно расширение до многоуровневых систем с использованием нескольких связанных резонаторов.

Представление двухуровневой системы. Мы можем видеть наведенное поглощение, спонтанное излучение и индуцированное излучение

Двухуровневая система

В двухуровневой системе частицы имеют только два доступных уровня энергии, разделенных некоторой разностью энергий: Δ Ε = E 2 - E 1 = hv , где ν - частота соответствующей электромагнитной волны испускаемого фотона, а h - Постоянная Планка . Также обратите внимание: E 2 > E 1 . Эти два уровня - возбужденное (верхнее) и основное (нижнее) состояния. Когда частица в верхнем состоянии взаимодействует с фотоном, соответствующим энергетическому разделению уровней, частица может распасться, испуская другой фотон с той же фазой и частотой, что и падающий фотон. Следовательно, закачивая энергию в систему, мы можем получить вынужденное излучение - это означает, что накачка заставляет систему выделять большое количество энергии в определенное время. Основная характеристика генерации, такая как инверсия населенности, фактически невозможна в двухуровневой системе, и поэтому двухуровневый лазер невозможен. В двухуровневом атоме накачкой является сам лазер.

Когерентное усиление терагерцового диапазона в сверхрешетке штарковской лестницы

Усиление когерентного терагерцового звука в лестничной сверхрешетке Ванье – Штарка было достигнуто в 2009 году, согласно публикации из школы физики и астрономии Ноттингемского университета . Эффект Ванье – Штарка существует в сверхрешетках. Электронные состояния в квантовых ямах чувствительно реагируют на умеренные электрические поля либо за счет квантово-ограниченного эффекта Штарка в случае широких барьеров, либо за счет локализации Ванье-Штарка в случае сверхрешетки. Оба эффекта приводят к большим изменениям оптических свойств вблизи края поглощения, что полезно для модуляции интенсивности и оптического переключения. А именно, с математической точки зрения, если электрическое поле приложено к сверхрешетке, соответствующий гамильтониан проявляет дополнительный скалярный потенциал. Если собственное состояние существует, то состояния, соответствующие волновым функциям, также являются собственными состояниями гамильтониана. Эти состояния равномерно распределены как по энергии, так и в реальном пространстве и образуют так называемую лестницу Ванье – Штарка.

Вынужденное излучение фононов. Перескакивая между квантовыми ямами GaAs и AlAs в сверхрешетке, электроны испускают фононы. Этот процесс стимулируется другими фононами, вызывающими акустическое усиление.

В предложенной схеме приложение электрического смещения к полупроводниковой сверхрешетке увеличивает амплитуду когерентных свернутых фононов, генерируемых оптическим импульсом. Это увеличение амплитуды наблюдается для тех смещений, при которых падение энергии за период сверхрешетки больше, чем энергия фононов . Если сверхрешетка смещена так, что падение энергии за период сверхрешетки превышает ширину электронных минизон (режим Ванье-Штарка), электроны локализуются в квантовых ямах, и вертикальный перенос электронов происходит посредством прыжков между соседними квантовыми ямами, что может иметь фононную поддержку. Как было показано ранее, в этих условиях вынужденное излучение фононов может стать доминирующим процессом надежды с участием фононов для фононов с энергетической величиной, близкой к штарковскому расщеплению. Таким образом, в системах такого типа теоретически возможно когерентное фононное усиление. Вместе с увеличением амплитуды спектр колебаний, индуцированных смещением, уже, чем спектр когерентных фононов при нулевом смещении. Это показывает, что в структуре при электрической накачке происходит когерентное усиление фононов за счет вынужденного излучения.

Напряжение смещения прикладывается к слабосвязанной сверхрешетке GaAs / AlAs, легированной n, и увеличивает амплитуду когерентных гиперзвуковых колебаний, генерируемых фемтосекундным оптическим импульсом. Свидетельство усиления гиперзвука за счет вынужденного излучения фононов появляется в системе, в которой существует инверсия электронных заселенностей для переходов с участием фононов. Об этом свидетельствует увеличение амплитуды, вызванное смещением, и наблюдаемое экспериментально сужение спектра сверхрешеточной фононной моды с частотой 441 ГГц.

Основная цель экспериментов этого типа - выявить вероятность реализации когерентного усиления ТГц звука. Стимулированные фононами ТГц переходы между состояниями электронной сверхрешетки приводят к такому когерентному усилению при обработке инверсии населенностей .

Существенный шаг на пути к когерентной генерации («сэйсинг») ТГц звука и других активных гиперзвуковых устройств был сделан этим достижением усиления ТГц звука. Как правило, в устройстве, в котором достигается порог «сэйсинга», метод, описанный этой предложенной схемой, может использоваться для измерения времени когерентности излучаемого гиперзвука.

Смотрите также

Ссылки и примечания

Дополнительная литература и работы, указанные в

  • Б. А. Главин, В. А. Кочелап, Т. Л. Линник, П. Уокер, А. Дж. Кентанд М. Хенини, Монохроматическое терагерцовое излучение акустических фононов пьезоэлектрическими сверхрешетками, Jour. Phys. CS 92 (2007).
  • K. Vahala, M. Herrmann, S. Knunz, V. Batteiger, G. Saathoff, TW Hansch and Th. Удем, Фононный лазер
  • Фил Шеве; Бен Штайн. «Новый вид акустического лазера» . Новости физики . Американский институт физики (AIP). Архивировано из оригинала 25 июня 2006 года . Проверено 29 сентября 2006 года .