Квантовая электроника и электродинамика

Направление: Исследование и разработка полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком
Подразделение: кафедра физики
Руководитель: Зверев М.М., д.ф.-м.н., профессор, (e-mail: mzverev@mail.ru, тел. +7 495 434-76-65)

Направление: Исследования по квантовой нуклеонике и возможности их применения для новых источников коротковолнового излучения
Направление: Исследование суперлюминесцентных диодов и полупроводниковых оптических усилителей на основе наноструктур.
Подразделение: Лаборатория прикладной физики
Руководитель: Задерновский А.А., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой физики, (e-mail: zadernovsky@mirea.ru, тел. +7 495 434-92-10)

Исследование и разработка полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком.
Применение для накачки активных сред электронного пучка, формируемого и управляемого общеизвестными методами и средствами, позволило разработать новый класс приборов квантовой электроники – лазерные электронно-лучевые трубки, представляющие собой гибриды электронно-оптических систем и полупроводниковых лазерных мишеней.

Отличительными особенностями таких лазеров являются:
  • возможность получения излучения на любой длине волны в диапазоне (0,32-30 мкм) или на нескольких длинах волн одновременно;
  • возможность получения импульсов света с мощностью от милливатт до десятков мегаватт;
  • возможность электронного управления интенсивностью и угловым положением лазерного луча;
В импульсных лазерах данного типа достигнут уровень мощности в несколько десятков мегаватт (при длительности импульса в несколько наносекунд) на разных длинах волн, а в сканирующих лазерах получено излучение со средней мощностью в несколько десятков ватт.
Полупроводниковые лазеры с электронно-лучевой накачкой могут быть использованы в системах проекционного телевидения, в медицине, лазерной локации, для обеспечения навигационной безопасности кораблей и летательных аппаратов, в скоростной интерферометрии, метрологии и т.д.
В последние годы благодаря успехам в технологии выращивания совершенных полупроводниковых структур появилась возможность значительного улучшения параметров лазеров с электронно-лучевой накачкой.
В работах, проводимых в МИРЭА совместно с ФТИ им. А.Ф. Иоффе (г. СПб) и с НИИ «Полюс» (г. Москва), показана возможность значительного снижения рабочей энергии электронного пучка (до уровня менее10 кэВ) и пороговой плотности тока при комнатной температуре в лазерах сине – зеленого и ИК диапазонов за счет использования полупроводниковых квантоворазмерных структур. Полученные результаты говорят о возможности создания малогабаритных электронно-лучевых приборов нового поколения – лазеров с накачкой электронным пучком.
Целью проводимых в МИРЭА исследований является дальнейшее улучшение характеристик лазеров с электронно-лучевой накачкой на основе полупроводниковых структур малой размерности – увеличение импульсной и средней мощности, эффективности, спектрального состава, получение генерации на квантоворазмерных структурах в УФ - диапазоне, достижение непрерывного режима генерации, создание отпаянных приборов - лазеров и т.д.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:
  1. М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, В.Б. Студенов, С.В. Иванов, Д.В. Перегудов, С.В. Гронин, И.В. Седова, С.В. Сорокин, П.С. Копьев. Импульсный нагрев активных элементов низкопороговых зеленых лазеров с накачкой электронным пучком на основе наноструктур II-VI. Оптика и спектроскопия, т. 107, №3, 410, 2009.
  2. M.M. Zverev, S.V. Ivanov, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, V.B. Studionov, D.V. Peregoudov, I.V. Sedova, S.V. Gronin, S.V. Sorokin, P.S. Kop’ev, I.M. Olikhov. Green electron-beam pumped laser arrays based on II–VI nanostructures. Phys. Status Solidi B 247, No.6, 1561, 2010.
  3. S. V. Gronin, S. V. Sorokin, I. V. Sedova, S. V. Ivanov, E. V. Zdanova, M. M. Zverev. ZnSe-based laser structures for electron-beam pumping with graded index waveguide. Phys. Status Solidi C7, No.6, 1694, 2010.
  4. А.Л. Гусев, М.М. Зверев, С.В. Иванов, М.Д. Тарасов. Взаимодействие ускоренных электронов с люминесцирующими материалами. Альтернативная энергетика и экология. 2011, №2, С 2-8.
  5. М.М. Зверев, В.О. Вальднер, Н.А. Гамов, Р.В. Есин, С.И. Гронин, Е.В. Жданова, С.В. Иванов, П.С. Копьев, Д.В. Перегудов, И.В. Седова, С.В. Сорокин, В.Б. Студенов. Влияние нелинейных эффектов на процессы разрушения активных элементов лазеров с электронно-лучевой накачкой на основе ZnSe – содержащих квантоворазмерных структур. Оптика и спектроскопия, том 111, № 2, 2011, с.208–211.
  6. М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, М.А. Ладугин,А.А. Мармалюк, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов. Импульсный полупроводниковый лазер ИК диапазона с накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерной структуры InGaAs/AlGaAs. Оптика и спектроскопия, том 111, № 2, 2011, с. 212–213.
Исследования по квантовой нуклеонике и возможности их применения для новых источников коротковолнового излучения.
Квантовая нуклеоника это одно из новых и интенсивно развивающихся направлений современной физики, включающее разнообразные теоретические и экспериментальные исследования управляемых процессов гамма-эмиссии ядер, контролируемого высвобождения энергии долгоживущих ядерных изомеров в форме гамма-лучей, рассеяния рентгеновского излучения на ядрах с конверсией в спонтанное или стимулированное гамма-излучение, когерентные эффекты при взаимодействии рентгеновского излучения с ядрами, управление динамикой возбуждения и де-возбуждения ядер, селективное возбуждение ядер, получение когерентного излучения в гамма диапазоне длин волн и др.

Целью проводимых исследований является распространение идей и методов квантовой электроники атомов и световых фотонов на атомные ядра и гамма-кванты, в частности, изучение возможности получения стимулированного гамма-излучения в активных средах со скрытой инверсией. Такой процесс стимулированной гамма-эмиссии ввел бы в практику новый тип цепной реакции стимулированных излучательных переходов ядер с высвобождением ядерной энергии чистым образом, без образования побочных радиоактивных отходов, в виде вспышки когерентного гамма-излучения. Научная ценность ожидаемых результатов состоит в разработке новых управляемых радиационных процессов в ядрах, что приведет к установлению альтернативных технологических методов и распространению опыта современной квантовой электроники в гамма-диапазон и ядерную область. Практическая полезность проводимых исследований определяется многочисленными возможными приложениями, включающими радиационную онкологию, генную инженерию, гамма-голографию, нанотехнологию, ядерную энергетику и т. д.

В результате проведенных исследований была разработана оригинальная концепция получения когерентного гамма-излучения при содействии отдачи в охлажденных ансамблях свободных ядер. Было показано, что использование ядерной отдачи открывает, в отличие от стандартных схем оптических лазеров, совершенно новые возможности, свойственные исключительно радиационным процессам с достаточно жесткими фотонами. Среди них возможность установления скрытой инверсии населенностей ядерных состояний, возникающей без избытка возбужденных ядер над невозбужденными, возможность осуществления накачки ядерного ансамбля по так называемой двухуровневой схеме и др.

Проводимые научные исследования неоднократно поддерживались грантами престижных международных научных фондов: Международным научно-техническим центром (МНТЦ/ ISTC), Американским фондом гражданских исследований и развития (АФГИР/CRDF), Международной ассоциацией INTAS, Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ), а также программами Министерства образования и науки РФ, в том числе аналитической ведомственной целевой программой "Развитие научного потенциала высшей школы" и др.

Научные исследования проводятся в тесном сотрудничестве с зарубежными и российскими учеными. Среди них: проф. Дж.Дж. Кэрролл, Янгстаунский государственный университет, г. Янгстаун, Огайо, США; проф. Ф. Квентин, Университет г. Бордо, Франция; проф. Дж. Одеурс Католический университет, г. Лювен, Бельгия; проф. С.А. Карамьян, Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флерова, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:
  1. Л.А. Ривлин. Ядерный гамма-лазер: эволюция идеи // Квантовая электроника. – 2007. – т. 37 (8). с. 723-744.
  2. A.A. Zadernovsky. Gamma-ray laser with hidden population inversion of nuclear states // Laser Physics. – 2007. - v. 17, No 4. - p. 316-323.
  3. A.A. Zadernovsky. Stimulated gamma emission in an active medium with hidden inversion // Laser Physics. – 2007. - v. 17, No 5. - p. 751-754
  4. Л.А. Ривлин. O гамма-спектрах ядер металла в кластере металлокарбона // Квантовая электроника. 2007. – т. 37, №7. – с. 674-678.
  5. A.A. Zadernovsky. Two-quantum stimulated emission of gamma radiation // Laser Physics. – 2009. – v. 19, No 4. - p. 739–744.
  6. А.А. Задерновский. Гамма-лазер со скрытой инверсией населенностей ядерных состояний // Радиоэлектроника, наносистемы, информационные технологии. – 2009. - т. 1-2. - с. 33-42.
  7. Л.А. Ривлин. О гипотетическом гигантском сужении радиационных линий атомов и ядер в бозе-эйнштейновском конденсате // Квантовая электроника. – 2009. – т. 39 (6). – с. 591–595.
  8. L.A. Rivlin, A.A. Zadernovsky. Nuclear gamma-ray laser: a comparative analysis of various schemes // Laser Physics. – 2010. – v. 20, No 5. - p. 971–976.
  9. Л.А. Ривлин. Мессбауэровская среда со скрытой инверсией населенностей ядер и отрицательным поглощением гамма-квантов // Квантовая электроника. – 2011. – т. 41, №6. – с. 495–500.
Исследование суперлюминесцентных диодов и полупроводниковых оптических усилителей на основе наноструктур.
По своим оптико-физическим характеристикам суперлюминесцентные диоды (СЛД) занимают промежуточное положение между светоизлучающими диодами (СИД) и лазерными диодами (ЛД), сочетая в себе широкую спектральную полосу излучения (низкую когерентность) первых и высокую яркость вторых. Для целого ряда прикладных областей СЛД являются наиболее оптимальными источниками излучения. Так, ни по яркости излучения, ни по эффективности его ввода в волоконные световоды СИД не могут конкурировать с СЛД. Именно поэтому СЛД оказываются практически незаменимыми в системах оптоволоконной гироскопии, оптоволоконных датчиках физических полей различной природы, в метрологии волоконно-оптических системах передачи информации, в некоторых системах подсветки и в системах бурно развивающейся в последнее десятилетие оптической когерентной томографии.

Проводимые исследования направлены на выяснение новых оптико-физических особенностей генерации излучения, проявляющихся при переходе в наноразмерный диапазон усиливающих слоев активного кристалла и создание высокоэффективных и надежных СЛД для вышеперечисленных практических применений. А именно: СЛД с непрерывной выходной мощностью более 100 мВт, допускающих эффективную стыковку со стандартными волоконными световодами; двухпроходных СЛД с внешними отражателями на основе волоконных брэгговских решеток; двухсекционных и многосекционных СЛД; полупроводниковых оптических усилителей (ПОУ).

В результате проведенных исследований были предложены и изучены новые режимы работы полупроводниковых оптических усилителей на основе наноструктур, обеспечившие значительное улучшение выходных характеристик лазерного излучения. В рамках выполненного исследования получены следующие основные результаты:
  • исследованы суперлюминесцентные диоды (СЛД) и полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) на основе однослойной квантоворазмерной структуры в системе (AlxGa1 x)As/GaAs с концентрацией алюминия x~0.1 в активном слое толщиной 10 нм;
  • достигнута непрерывная выходная мощность излучения через одномодовый волоконный световод в диапазоне 1 30 мВт при ширине спектра около 50 нм;
  • разработан и исследован однопроходный полупроводниковый оптический усилитель с коэффициентом усиления до 32 дБ на длине волны 840 нм;
  • продемонстрирована его высокая надежность при непрерывной мощности излучения на выходе одномодового волоконного световода до 50 мВт;
  • показана высокая эффективность использования такого усилителя в МОРА (Master Oscillator - Power Amplifier) -системах.

Результаты являются новыми и представляют большой интерес для использования в волоконно-оптических системах, а также для медицины, в частности, для офтальмологии, дерматологии и оптической когерентной томографии. Они могут найти применение в навигационных системах, в скоростной фотографии и интерферометрии.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:
  1. Ю.О. Костин, С.Д. Якубович. Двухсекционные широкополосные суперлюминесцентные диоды // Квантовая электроника. - 2009. – т. 39 (5). – с. 421–424.
  2. А.А. Лобинцов, М.В. Перевозчиков, М.В. Шраменнко, С.Д. Якубович. Узкополосные двухпроходные СЛД с длиной волны излучения 1060 нм // Квантовая электроника. – 2009. – т. 39 (9). – с. 793 796.
  3. А.А. Лобинцов, М.Б. Успенский, В.А. Шишкин, М.В. Шраменко, С.Д. Якубович. Высокоэффективный полупроводниковый оптический усилитель спектрального диапазона 820 – 860 нм // Квантовая электроника. - 2010 – т. 40 (4). – с. 305–309.
  4. С.Н. Ильченко, Ю.О. Костин, И.А. Кукушкин, М.А. Ладугин, П.И. Лапин, А.А. Лобинцов, А.А. Мармалюк, С.Д. Якубович. Широкополосные суперлюминесцентные диоды и полупроводниковые оптические усилители спектрального диапазона 750 – 800 нм // Квантовая электроника. – 2011. – т. 41 (8). – с. 677–680.
  5. Е.В. Андреева, С.Н. Ильченко, Ю.О. Костин, П.И. Лапин, Д.С. Мамедов, С.Д. Якубович. Изменение выходных характеристик широкополосных суперлюминесцентных диодов в ходе продолжительной работы // Квантовая электроника. - 2011. – т. 41 (7). – с. 595–601.
Система Orphus