專利名稱：基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種產(chǎn)生激光的方法，特別是一種基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法，屬于半導體激光器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
20世紀中期開始，激光器在現(xiàn)代工業(yè)革命中扮演著越來越重要的角色，從集成電路的光刻工藝到光纖通訊的信息載體，從軍事偵察的手段到分子結(jié)構(gòu)的檢測工具，激光器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到生活、軍事、科研等眾多領(lǐng)域。目前，激光器的種類較多，所能獲得激發(fā)光波長也幾乎涵蓋了紫外到中紅外波段。自然科學已有的研究成果證實了許多化學和物理過程的響應(yīng)時間在太赫茲(THz，～1012Hz)波段，如凝聚態(tài)物質(zhì)的聲子頻率、大分子(包括蛋白質(zhì)等生物分子)的振動光譜均在THz波段有很多特征峰，凝聚態(tài)物質(zhì)和液體中的載流子對THz輻射也有非常靈敏的響應(yīng)。THz波段對應(yīng)的波長范圍為30-3000μm，是連接遠紅外和微波的橋梁。THz輻射在物理、信息、材料和生物等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如各種超快過程探測、寬帶通訊、高速光電子器件、材料表征、無標記生物芯片、醫(yī)學診斷等等。因此，為了進一步深入開展研究，學術(shù)界非常希望獲得THz/遠紅外波段激光器。
目前在如何獲得激發(fā)光波長小于30m的激光器方面已經(jīng)取得了比較大的進展，但是若想利用現(xiàn)有比較成熟的砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)半導體材料獲得激發(fā)光能量小于其剩余射線吸收帶低能端能量的遠紅外(≥50μm)激光器還是非常困難的。2001年Appl.Phys.Lett.Vol。78，p2620(《美國應(yīng)用物理快報》第78卷，2620頁～2622頁)報道了Colombelli等人利用GaAs/AlGaAs量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)獲得了THz波段(～80μm)的遠紅外光輻射。這是迄今為止在實驗室獲得的波長最長的遠紅外光輻射，其原理也和通常半導體激光器原理相同，都是利用電子在半導體或半導體薄膜微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的分立能級間的躍遷輻射獲得特定波長的激光。我們提出的這種基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲(THz)激光的方法，有望獲得波長更長的THz遠紅外激光，以拓展已有的激光波長范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法，可以獲得波長更長的太赫茲遠紅外激光波長，使其能夠為將來THz/遠紅外激光器的實用化提供理論根據(jù)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明主要包括如下步驟1)調(diào)節(jié)一個三量子點耦合系統(tǒng)內(nèi)的耦合條件，包括系統(tǒng)內(nèi)每個量子點的大小、形狀以及量子點之間的分布形狀、距離，以獲得合適的激子基態(tài)能級，該基態(tài)能級是分立的；2)再調(diào)節(jié)另一個三量子點耦合系統(tǒng)內(nèi)部的耦合條件，包括系統(tǒng)內(nèi)每個量子點的大小、形狀以及量子點之間的分布形狀、距離，使得這兩個三量子點耦合系統(tǒng)的激子分立基態(tài)能級的差值ΔE屬于太赫茲遠紅外波段范圍，滿足要求得到的遠紅外激發(fā)光光子能量；3)將兩個三量子點耦合系統(tǒng)用弱耦合層隔離，調(diào)節(jié)耦合距離，以獲得合適的起振條件；4)將用弱耦合層隔離的兩個三量子點耦合系統(tǒng)的兩個端面拋光形成光學共振腔，從而完成太赫茲遠紅外激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計；5)在步驟1)和2)中選擇不同材料的三量子點耦合系統(tǒng)，經(jīng)過步驟1)、2)、3)、4)就能在較寬的太赫茲遠紅外激光波長范圍內(nèi)得到所需的太赫茲遠紅外激光。
步驟1)和2)所用的調(diào)節(jié)方法為有效質(zhì)量理論和變分方法，三量子點耦合系統(tǒng)是In0.5Ga0.5As/GaAs，耦合條件是單個三量子點系統(tǒng)內(nèi)部的耦合參數(shù)。步驟2)中兩個三量子點耦合系統(tǒng)的激子分立基態(tài)能級的差值ΔE屬于太赫茲遠紅外波段范圍。步驟3)中弱耦合層的作用是用于調(diào)節(jié)兩個三量子點系統(tǒng)之間的耦合和隔離程度，以得到合適的起振條件。步驟4)中得到太赫茲遠紅外激光器的工作原理如下注入的電子空穴對從激子基態(tài)能量高的三量子點耦合系統(tǒng)穿過弱耦合層進入激子基態(tài)能量低的三量子點耦合系統(tǒng)，并在弱耦合層內(nèi)發(fā)射出光子，光子的能量等于這兩個量子點耦合系統(tǒng)基態(tài)能量的差值，屬于太赫茲遠紅外波段范圍。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，本發(fā)明可以根據(jù)所需的太赫茲遠紅外激光波長，在理論上先分別確定兩個三量子點耦合系統(tǒng)的激子基態(tài)能量，使其激子基態(tài)能量差滿足所要求的遠紅外激發(fā)光光子能量，完成該類型的激光器前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計；同時該類型激光器的實用化可以免去已有太赫茲輻射產(chǎn)生裝置需要用超短激光脈沖經(jīng)光導天線或半導體等功能材料電光轉(zhuǎn)化的步驟，因此在工藝技術(shù)成熟的條件下，具有原理新穎簡單、設(shè)計靈活方便、實用性強的特點。
具體實施例方式
以下提供實施例，具體如下1、對于一個球形量子點，等邊三角形分布的三量子點系統(tǒng)，采用有效質(zhì)量理論和變分方法調(diào)節(jié)三量子點耦合系統(tǒng)A-In0.5Ga0.5As/GaAs，當每個In0.5Ga0.5As/GaAs量子點的球半徑r為8.0nm，等邊三角形的邊長a為18.2nm時，系統(tǒng)A的激子基態(tài)能量為1.0106eV；2、調(diào)節(jié)另一個球形量子點，等邊三角形分布的三量子點耦合系統(tǒng)B-In0.5Ga0.5As/GaA中的耦合條件，當每個In0.5Ga0.5As/GaAs量子點的球半徑r為8.0nm，等邊三角形的邊長a為16.4nm時，系統(tǒng)B的激子基態(tài)能級為1.0019eV，由步驟1結(jié)果可知，系統(tǒng)A和B的激子基態(tài)能級差為0.0097eV，屬于太赫茲遠紅外波段范圍；3、將兩個三量子點耦合系統(tǒng)A和B用弱耦合層隔離，調(diào)節(jié)弱耦合層的厚度，以獲得合適的起振條件；4、將用弱耦合層隔離的兩個三量子點耦合系統(tǒng)A和B的兩個端面拋光形成光學共振腔，從而完成太赫茲遠紅外激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計。
5、按步驟1～4，在工藝技術(shù)成熟的條件下，就可以得到光子能量為0.0097eV、波長約為127.8微米的太赫茲遠紅外激光。
權(quán)利要求
1.一種基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法，其特征在于主要包括以下步驟1)調(diào)節(jié)一個三量子點耦合系統(tǒng)內(nèi)的耦合條件，包括系統(tǒng)內(nèi)每個量子點的大小、形狀以及量子點之間的分布形狀、距離，獲得合適的激子基態(tài)能級，該基態(tài)能級是分立的；2)再調(diào)節(jié)另一個三量子點耦合系統(tǒng)內(nèi)部的耦合條件，包括系統(tǒng)內(nèi)每個量子點的大小、形狀以及量子點之間的分布形狀、距離，使得這兩個三量子點耦合系統(tǒng)的激子分立基態(tài)能級的差值ΔE屬于太赫茲遠紅外波段范圍，滿足要求得到的遠紅外激發(fā)光光子能量；3)將兩個三量子點耦合系統(tǒng)用弱耦合層隔離，調(diào)節(jié)耦合距離，獲得合適的起振條件；4)將用弱耦合層隔離的兩個三量子點耦合系統(tǒng)的兩個端面拋光形成光學共振腔，完成太赫茲遠紅外激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計；5)在步驟1)和2)中選擇不同材料的三量子點耦合系統(tǒng)，經(jīng)過步驟1)、2)、3)、4)就能在較寬的太赫茲遠紅外激光波長范圍內(nèi)得到所需的太赫茲遠紅外激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法，其特征是，步驟1)和2)中的調(diào)節(jié)方法為有效質(zhì)量理論和變分方法，三量子點耦合系統(tǒng)是In0.5Ga0.5As/GaAs，耦合條件是每個量子點都是球形的，每個系統(tǒng)中的三個量子點都呈等邊三角形分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法，其特征是，步驟1)和2)中兩個三量子點耦合系統(tǒng)的激子分立基態(tài)能級差值ΔE為0.0097eV，屬于太赫茲遠紅外波段范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法，其特征是，步驟3)中弱耦合層的調(diào)節(jié)兩個三量子點系統(tǒng)之間的耦合和隔離程度，以得到合適的起振條件。
全文摘要
基于三量子點耦合系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲激光的方法屬于半導體激光器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。步驟如下調(diào)節(jié)一個三量子點耦合系統(tǒng)內(nèi)的耦合條件，獲得激子基態(tài)能級；再調(diào)節(jié)另一個三量子點耦合系統(tǒng)內(nèi)部耦合條件，使兩個三量子點耦合系統(tǒng)激子分立基態(tài)能級的差值屬于太赫茲遠紅外波段范圍，滿足要求得到遠紅外激發(fā)光光子能量；將兩個三量子點耦合系統(tǒng)用弱耦合層隔離，調(diào)節(jié)耦合距離，獲得起振條件；將用弱耦合層隔離的兩個三量子點耦合系統(tǒng)的兩個端面拋光形成光學共振腔，完成太赫茲遠紅外激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計；選擇不同材料的三量子點耦合系統(tǒng)，經(jīng)過以上步驟就能得到太赫茲遠紅外激光。本發(fā)明在工藝技術(shù)成熟的條件下，具有原理新穎簡單、設(shè)計靈活方便、實用性強的特點。
文檔編號H01S5/00GK1440097SQ03115898
公開日2003年9月3日 申請日期2003年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者賴祖猷, 沈文忠, 楊海鋒 申請人:上海交通大學