بررسی اجمالی در مورد لیزرهای آبشار کوانتومی: مبدا و توسعه

ساختار باند معمولی QCL

چکیده

در این فصل یک بررسی مقدماتی در مورد لیزرهای آبشار کوانتومی (QCLs) ارائه شده است. بررسی اجمالی ، شامل شرح مختصری از ابتدای کار و مبانی عملیاتی آنها. مواد مورد استفاده و همچنین روش های رشد نیز شرح داده شده است. احتمال توسعه QCL های مبتنی بر GaN نیز نشان داده شده است. به طور خلاصه ، کاربردهای این سازه ها طیف گسترده ای را شامل می شوند ، از جمله طیف سنجی ، ارتباطات فضای آزاد و همچنین کاربردهای مربوط به رادارهای نزدیک به فضا و تشخیص شیمیایی / بیولوژیکی. علاوه بر این ، تعدادی از برنامه های کاربردی پیشرفته در زمینه های مختلف شرح داده شده است ، و در آخر یک ارزیابی مختصر از امکان تولید حجم و وضعیت کلی هنر در تحقیقات QCLs ارائه شده است.

1. معرفی

لیزرهای آبشار کوانتومی (QCL) بر اساس یک اصل اساساً متفاوت با لیزرهای نیمه هادی "کلاسیک" است ، یعنی آنها فقط از یک نوع حامل بار ، الکترونها ، با استفاده از انتقالهای بین باند استفاده می کنند ، بنابراین می توان آنها را لیزرهای قطبی نامید. QCL ها در اوایل دهه 1970 تصور می شدند. اول ، Esaki و Tsu [1] اولین چند لایه بالقوه دوره ای یک بعدی با تغییر دوره ای ترکیب در طول رشد epitaxial (superlattice) ساخته شدند. بعداً ، QCL ها توسط Kazarinov و Suris ارائه شده اند [2] و سرانجام برای اولین بار در آزمایشگاه های بل در سال 1994 توسط فیست و همکاران به نمایش درآمد. [3] استفاده از superlattices منجر به محاصره کوانتومی و پدیده های تونل زنی ، فرآیندهای اساسی در عملکرد QCL ها می شود.

یک دیود لیزر معمولی توسط یک فوتون واحد که از یک انتقال بین باند الکترونی ایجاد می شود ، نور ایجاد می کند. این بدان معنی است که یک الکترون پرانرژی در باند انتقال با سوراخ در باند Valance ، انرژی فوتون تعیین شده توسط انرژی باند شکاف سیستم ماده مورد استفاده است. با این حال ، QCL ها از مواد نیمه هادی فله در منطقه فعال نوری خود استفاده نمی کنند ، اما یک سری دوره ای از لایه های نازک از ترکیب مواد مختلف با تشکیل یک superlattice ، که منجر به پتانسیل الکتریکی می شود که در طول دستگاه تغییر می کند (کوانتوم چند بعدی یک بعدی خوب ، محصور کردن) ، تقسیم انرژی مجاز به باند در تعدادی از زیر باندهای الکترونیکی گسسته ، ساختن الکترونها یک سری مراحل انرژی یکسان را که در طول رشد کریستال در داخل ماده ساخته می شوند ، آبشار می گیرند و در هر مرحله یک فوتون را پخش می کنند ، برخلاف لیزرهای دیود. فقط یک فوتون در چرخه معادل. با یک طراحی مناسب از ضخامت این لایه ها ، وارونگی جمعیت بین حالات مجزا از باند گسسته در چاه های کوانتومی همراه با کنترل تونل زنی حاصل می شود و انتشار لیزر امکان پذیر می شود. بنابراین ، موقعیت سطوح انرژی بیشتر از ضخامت لایه ها به جای ماده مشخص می شود و به این ترتیب امکان تنظیم طول موج انتشار QCL ها در طیف گسترده ای در همان سیستم ماده فراهم می شود. بنابراین ، یک الکترون در طی هر انتقال بین باند بین چربی کوانتومی (QW) در ابرخطی ، یک فوتون ساطع می کند ، و سپس می تواند در دوره بعدی ساختار که در آن الکترون دیگری قابل انتشار است ، تونل کند ، و QCL ها را به سمت بهتر از لیزرهای دیود فعال می کند. طول موج با عاملی حتی از نظر قدرت حتی بیشتر از 1000 است.

به طور کلاسیک ، QCL از تکرار دوره ای بخش های فعال ساخته شده است ، که از چاه های کوانتومی همراه با تونل و انژکتور تشکیل شده است ، جایی که یک مینی باند تشکیل شده است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، از مینی باند انژکتور الکترونها به سطح انرژی لیزر فوقانی (4) بخش فعال تزریق می شوند ، جایی که انتقال لیزر صورت می گیرد. پس از آن ، سطح انرژی لیزر پایین تر (3) توسط انتشار نوری طولی (انتشار LO) خالی می شود و الکترون ها با تونل زدن وارد مرحله بعدی می شوند.