Kwantowy laser kaskadowy - Polski Serwis Naukowy

Kwantowy laser kaskadowy (ang. quantum cascade laser, QCL) — rodzaj unipolarnego lasera półprzewodnikowego, emitującego promieniowanie w zakresie od średniej do dalekiej podczerwieni.

Historia

Teoretyczna możliwość zbudowania QCL została opisana w 1971 przez radzieckich uczonych Kazarinowa i Surisa, natomiast pierwsza praktyczna realizacja działającego przyrządu nastąpiła dopiero w 1994. Laser ten został zaprezentowany przez grupę Federico Capasso z laboratorium Bella. Od tamtego czasu nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania takimi urządzeniami, co zaowocowało wieloma podejściami do ich realizacji.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.
Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Pierwszy QCL w Polsce został wytworzony w Instytucie Technologii Elektronowej w 2009. Emitował on fale o długości 9μm, pracował w temperaturze 77K, a jego warstwa aktywna składała się ze stopu Al Ga As/GaAs.

Zasada działania

W przeciwieństwie do zwykłego lasera półprzewodnikowego, QCL jest unipolarny, czyli źródłem promieniowania jest jeden typ nośników: elektrony. Mimo teoretycznej możliwości oparcia emisji na dziurach, jak dotąd nikomu nie udało się jej wykorzystać w praktyce.

W materiale półprzewodnikowym nośniki zajmują dwa pasma energetyczne: walencyjne, w którym znajdują się elektrony o niskiej energii oraz przewodnictwa, do którego trafiają elektrony wysokoenergetyczne. Pomiędzy tymi pasmami istnieje jeszcze tzw. pasmo wzbronione, w którym nie ma stanów dozwolonych, które mogłyby zająć elektrony – jest ono zatem puste. Emisja promieniowania w laserze półprzewodnikowym zachodzi, gdy elektron z pasma przewodnictwa rekombinuje z dziurą z pasma walencyjnego. Powstaje wtedy foton o energii określonej przez przerwę wzbronioną.

Laser półprzewodnikowy – nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.
Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

W QCL stosuje się supersieć, czyli periodyczną strukturę złożoną z różnych półprzewodników lub ich stopów. Oznacza to, że w całej tej strukturze występuje zmienny potencjał elektryczny, zatem elektron może znajdować się w poszczególnych warstwach z różnym prawdopodobieństwem. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, w obiekcie takim nastąpi rozszczepienie pasm energetycznych na wiele dyskretnych podpasm.

Polska, oficjalnie Rzeczpospolita Polska – państwo położone w Europie Środkowej nad Morzem Bałtyckim. Graniczy z Niemcami (na zachodzie), Czechami i Słowacją (na południu), Ukrainą i Białorusią (na wschodzie), na północnym wschodzie z Litwą oraz na północy z Rosją (obwód kaliningradzki). Ponadto polska granica wyłącznej strefy ekonomicznej na Bałtyku graniczy ze strefami Danii i Szwecji.
Pasmowa teoria przewodnictwa elektrycznego – kwantowomechaniczna teoria opisująca przewodnictwo elektryczne. W przeciwieństwie do teorii klasycznej punktem wyjścia w tej teorii jest statystyka Fermiego-Diraca i falowa natura elektronów. Najważniejszym pojęciem tej teorii jest pasmo energetyczne - jest to przedział energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Istnienie ciągłego widma energetycznego jest związane z oddziaływaniem na siebie poszczególnych atomów (jest to zbiór bardzo blisko położonych widm liniowych), natomiast występowanie obszarów zabronionych wynika z warunków nakładanych na periodyczność funkcji falowej elektronów.

Standardowy QCL składa się z dwóch obszarów: aktywnego oraz relaksacji/wstrzykiwania (ang. relaxation/injector region). W obszarze aktywnym, złożonym z kilku studni kwantowych, wyróżnia się trzy poziomy energetyczne: wyższy (ang. upper laser state), niższy (ang. lower laser state) oraz podstawowy (ang. ground state). Elektron spada z wyższego poziomu na niższy, jednocześnie tunelując do kolejnej studni. Jest to przejście promieniste, czyli towarzyszy mu emisja fotonu o energii równej różnicy energii pomiędzy podpasmami. W kolejnym etapie nośnik spada do stanu podstawowego studni, tym razem niepromieniście – energia zostaje wypromieniowana w postaci fononu. Obszar relaksacji ma za zadanie przyjąć elektron ze stanu podstawowego obszaru aktywnego i zapewnić, że zostanie on wstrzyknięty na wyższy stan kolejnego obszaru aktywnego.

Instytut Technologii Elektronowej (ITE) - instytut naukowy w Warszawie. Instytut prowadzi badania w zakresie mikro- i nanotechnologii półprzewodnikowej. ITE ma dwa oddziały zamiejscowe - w Piasecznie i w Krakowie.
mikro – to przedrostek jednostki miary w układzie SI, oznaczający mnożnik 0,000 001 = 10-6 (jedna milionowa). Do oznaczenia symbolu używa się greckiej litery my (μ). Prefiks pochodzi od greckiego μικρός (mikros), oznaczającego coś bardzo małego.

Ważnym elementem QCL jest przyłożone napięcie elektryczne – to właśnie ono sprawia, że laser można przedstawić jako kaskadę, a elektrony przemieszczają się w jedną stronę (w tę o niższym potencjale).

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)