آغازگر QCL: تاریخچه ، ویژگی ها ، برنامه ها

از زمان اولین عملیات موفقیت آمیز خود در سال 1960 در آزمایشگاههای تحقیقاتی هیوز ، لیزر در مرکز نوآوری و تحقیق قرار داشته است. لیزرهای نیمه هادی برای اولین بار در سال 1962 هنگامی که رابرت هال اولین دیود لیزری گالیم آرسنید را معرفی کرد ظاهر شد. در سال 1970 ، Izuo Hayashi و Morton Panish از آزمایشگاه های Bell موفق به ایجاد یک دیود لیزری شدند که می تواند در دمای اتاق کار کند. این پیشرفت در ایجاد یک ساختار دوگانه با ساندویچ کردن یک لایه فعال نازک از آرسنید گالیوم بین دو لایه از یک نیمه رسانای متفاوت بود. 2 مرزهای بین دو نیمه هادی ، که به نام heterojunctions نیز شناخته می شوند ، هر دو حامل بار و نور تولید شده را محدود به فعال می کند. لایه ، و در نتیجه تقویت بیشتر نور است.

تغییرات و بهبود لایه فعال موضوع تحقیقات زیادی بود و در سال 1971 R.F. کازارینوف و آر.آ. سوریس ایده استفاده از مجموعه ای از ساختارهای نازک فوق العاده نازک برای محدود کردن الکترون ها - چاه های کوانتومی را ارائه داد. 3 با این حال ، تا سال 1994 بود که J. Faist و F. Capasso در آزمایشگاه های Bell اولین لیزر آبشار کوانتومی (QCL) را با استفاده از الکترون نشان دادند. پیشرفت در چاه های کوانتومی. لیزرهای اولیه آبشار کوانتومی برای عملکرد مداوم به دمای برودتی نیاز داشتند ، اما تا سال 2002 گروه J. Faist یک ساختار لایه فعال مناسب برای عملکرد مداوم در دمای اتاق طراحی کرده بود. MIR) به مناطق تراهرتز. پیشرفت در تکنیک های ساخت همراه با تنوع محدوده انتشار QCL ، آن را به یک منبع لیزری جذاب با قابلیت استفاده در انواع برنامه های MIR تبدیل کرده است.

ویژگی های QCL

بر خلاف دیودهای لیزری ، QCL برای تقویت نور به ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره وابسته نیست ، بلکه در عوض به گذارهای درون ساختار چاه کوانتومی خود بستگی دارد. طراحی باریک چاه های کوانتومی الکترون ها را محدود می کند (شکل 1). هنگامی که یک میدان الکتریکی قوی یا ولتاژ اعمال می شود ، تفاوت پتانسیل در لایه ها به الکترونها اجازه می دهد تا در یک چاه کوانتومی منفجر تابشی شوند و یک فوتون ساطع کنند. از طریق اثر کوانتومی تونل زنی ، یک الکترون می تواند از یک لایه فعال به لایه دیگر تونل زده و دوباره منتقل شود. دنباله تونل زنی و انتشار فوتون در سراسر منطقه فعال تکرار می شود و در نتیجه "آبشار" انتشار را ایجاد می کند. انرژی از دست رفته در طول انتقال تابشی به حالت پایین تر مطابق با انرژی فوتون ساطع شده است. تغییرات در عرض لایه فعال منجر به انتقال انرژی متفاوت و انرژی فوتون می شود. این یک مزیت مهم برای توسعه QCL بوده است زیرا بدان معنی است که طول موج انتشار توسط محدوده باند مواد فعال مورد استفاده محدود نمی شود و امکان استفاده از مواد با فرایندهای رشد و ساخت ثابت مانند GaAs و InGaAs را فراهم می آورد. طرحهای QCL با استفاده از چاههای کوانتومی آرسنید ، انتشار در طول موجها را به اندازه 4 میکرومتر ضبط کرده اند و افزودن آنتیمونیدها منجر به انتشار 3.2 میکرومتر در دمای اتاق شده است.