از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

(برگرفته از لیزر کوانتومی آبشار )

لیزرهای آبشاری کوانتومی (QCLs) لیزرهای نیمه هادی هستند که در بخش مادون قرمز میانی تا دور طیف الکترومغناطیسی ساطع می کنند و اولین بار توسط جروم فایست ، فدریکو کاپاسو ، دبورا سیوکو، کارلو سیرتوری ، آلبرت هاچینسون و آلفرد چو نشان داده شد. آزمایشگاه ها در سال 1994. [1]

بر خلاف لیزرهای نیمه هادی بین باند معمولی که تابش الکترومغناطیسی را از طریق ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره در سراسر شکاف باند مواد منتشر می کنند ، QCL ها تک قطبی هستند و انتشار لیزر از طریق استفاده از انتقال بین زیر باند در یک پشته مکرر از چاه های کوانتومی چندگانه نیمه هادی ، یک ساختار ناهمگون حاصل می شود. ایده اولین بار در مقاله "امکان تقویت امواج الکترومغناطیسی در یک نیمه هادی با ابرشبکه " توسط R. F. Kazarinov و R. A. Suris در سال 1971 ارائه شد .

انتقال بین باند در مقابل انتقال بین باند [ ویرایش ]

انتقال بین باند در لیزرهای نیمه هادی معمولی یک فوتون منفرد ساطع می کند.

در یک کریستال نیمه‌رسانای حجیم ، الکترون‌ها ممکن است حالت‌هایی را در یکی از دو باند انرژی پیوسته اشغال کنند - نوار ظرفیت ، که به شدت با الکترون‌های کم انرژی پر شده است و نوار رسانایی ، که به صورت پراکنده با الکترون‌های پر انرژی پر است. دو باند انرژی توسط یک شکاف باند انرژی از هم جدا می شوند که در آن هیچ حالت مجاز برای اشغال الکترون ها وجود ندارد. دیودهای لیزر نیمه هادی معمولی نور را از یک فوتون منفرد تولید می کنند که وقتی یک الکترون پرانرژی در نوار رسانایی با یک حفره دوباره ترکیب می شود.در باند ظرفیت بنابراین انرژی فوتون و در نتیجه طول موج انتشار دیودهای لیزر توسط شکاف نواری سیستم مواد مورد استفاده تعیین می شود.

با این حال یک QCL از مواد نیمه هادی حجیم در ناحیه فعال نوری خود استفاده نمی کند. در عوض، از یک سری لایه های نازک دوره ای از ترکیب مواد مختلف تشکیل شده است که یک ابرشبکه را تشکیل می دهد . ابرشبکه یک پتانسیل الکتریکی متغیر در طول دستگاه معرفی می کند، به این معنی که احتمال متفاوتی وجود دارد که الکترون ها موقعیت های مختلفی را در طول دستگاه اشغال کنند. این به عنوان محصور کردن چاه کوانتومی چند بعدی یک بعدی شناخته می شود و منجر به تقسیم باند انرژی های مجاز به تعدادی زیر باند الکترونیکی گسسته می شود. با طراحی مناسب ضخامت لایه ها می توان مهندسی الف وارونگی جمعیت بین دو زیر باند در سیستم که برای دستیابی به انتشار لیزر مورد نیاز است. از آنجایی که موقعیت سطوح انرژی در سیستم در درجه اول توسط ضخامت لایه ها و نه مواد تعیین می شود، می توان طول موج انتشار QCL ها را در محدوده وسیعی در همان سیستم مواد تنظیم کرد.

در ساختارهای آبشاری کوانتومی، الکترون ها تحت انتقال بین زیر باندی قرار می گیرند و فوتون ها گسیل می شوند. الکترون‌ها به دوره بعدی ساختار تونل می‌کنند و این فرآیند تکرار می‌شود.

علاوه بر این، در دیودهای لیزر نیمه هادی، الکترون ها و حفره ها پس از ترکیب مجدد در سراسر شکاف نواری نابود می شوند و نمی توانند نقش دیگری در تولید فوتون ایفا کنند. با این حال، در یک QCL تک قطبی، هنگامی که یک الکترون تحت یک گذار بین زیر باندی قرار گرفت و یک فوتون در یک دوره از ابرشبکه ساطع کرد، می‌تواند به دوره بعدی ساختار تونل بزند، جایی که فوتون دیگری می‌تواند گسیل شود. این فرآیند یک الکترون که باعث گسیل فوتون‌های متعدد می‌شود که از ساختار QCL عبور می‌کند، نام آبشار را ایجاد می‌کند و بازده کوانتومی بیش از واحد را ممکن می‌سازد که منجر به قدرت‌های خروجی بالاتر از دیودهای لیزر نیمه‌رسانا می‌شود.

اصول عملیاتی [ ویرایش ]

معادلات نرخ [ ویرایش ]

جمعیت زیر باند توسط نرخ پراکندگی بین زیر باند و جریان تزریق / استخراج تعیین می شود.

QCL ها معمولا بر اساس یک سیستم سه سطحی هستند . [3] با فرض اینکه تشکیل توابع موج در مقایسه با پراکندگی بین حالت‌ها فرآیندی سریع است، راه‌حل‌های مستقل از زمان برای معادله شرودینگر ممکن است اعمال شوند و سیستم را می‌توان با استفاده از معادلات نرخ مدل‌سازی کرد. هر زیر باند حاوی تعدادی الکترون است�منn_{i}(جایی کهمنمنشاخص زیر باند است) که بین سطوح با طول عمر پراکنده می شود�من�\tau _{{اگر}}(متقابل میانگین نرخ پراکندگی بین زیر باندیدبلیومن�W_{{اگر}})، جایی کهمنمنو�fشاخص های زیر باند اولیه و نهایی هستند. با فرض اینکه هیچ زیر باند دیگری پر نشده باشد، معادلات سرعت برای لیزرهای سه سطحی به صورت زیر ارائه می شود:

د�3دتی=منمنn+�1�13+�2�23-�3�31-�3�32{\frac {{\mathrm {d}}n_{3}}{{\mathrm {d}}t}}=I_{{{\mathrm {in}}}}+{\frac {n_{1}} {\tau _{{13}}}}+{\frac {n_{2}}{\tau _{{23}}}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{31} }}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}

د�2دتی=�3�32+�1�12-�2�21-�2�23{\frac {{\mathrm {d}}n_{2}}{{\mathrm {d}}t}}={\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}+{ \frac {n_{1}}{\tau _{{12}}}}-{\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}-{\frac {n_{2}} {\tau _{{23}}}}

د�1دتی=�2�21+�3�31-�1�13-�1�12-منoتوتی{\frac {{\mathrm {d}}n_{1}}{{\mathrm {d}}t}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}+{ \frac {n_{3}}{\tau _{{31}}}}-{\frac {n_{1}}{\tau _{{13}}}}-{\frac {n_{1}} {\tau _{{12}}}}-I_{{{\mathrm {out}}}}

در حالت پایدار ، مشتقات زمانی برابر با صفر و هستندمنمنn=منoتوتی=منI_{{{\mathrm {in}}}}=I_{{{\mathrm {out}}}}=I. بنابراین، معادله سرعت کلی برای الکترون‌ها در زیر باند i یک سیستم سطح N به صورت زیر است:

د�مندتی=∑�=1ن����من-�من∑�=1ن1�من�+من(�منن-�من1){\frac {{\mathrm {d}}n_{i}}{{\mathrm {d}}t}}=\sum \limits _{{j=1}}^{N}{\frac {n_{ j}}{\tau _{{ji}}}}-n_{i}\sum \limits _{{j=1}}^{N}{\frac {1}{\tau _{{ij}} }}+I(\delta _{{iN}}-\delta _{{i1}})،

با این فرض که فرآیندهای جذب را می توان نادیده گرفت، (یعنی�1�12=�2�23=0{\frac {n_{1}}{\tau _{{12}}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{23}}}}=0، در دماهای پایین معتبر است) معادله نرخ متوسط ​​می دهد

�3�32=�2�21{\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}

بنابراین، اگر�32>�21\tau _{{32}}>\tau _{{21}}(یعنیدبلیو21>دبلیو32W_{{21}}>W_{{32}}) سپس�3>�2n_{3}>n_{2}و وارونگی جمعیت وجود خواهد داشت. نسبت جمعیت به صورت تعریف شده است

�3�2=�32�21=دبلیو21دبلیو32{\frac {n_{3}}{n_{2}}}={\frac {\tau _{{32}}}{\tau _{{21}}}}={\frac {W_{21 }}}{W_{{32}}}}

اگر تمام N معادلات نرخ حالت پایدار جمع شوند، سمت راست صفر می شود، به این معنی که سیستم تعریف نشده است و فقط می توان جمعیت نسبی هر زیر باند را پیدا کرد. اگر چگالی ورق کل حامل هان2DN_{{{\mathrm {2D}}}}در سیستم نیز شناخته شده است، سپس جمعیت مطلق حامل ها در هر زیر باند را می توان با استفاده از:

∑من=1ن�من=ن2D\sum \limits _{{i=1}}^{{N}}n_{i}=N_{{{\mathrm {2D}}}}.

به عنوان یک تقریب، می توان فرض کرد که تمام حامل های موجود در سیستم از طریق دوپینگ تامین می شوند . اگر گونه ناخالص انرژی یونیزاسیون ناچیز داشته باشدن2DN_{{{\mathrm {2D}}}}تقریباً برابر با چگالی دوپینگ است.

توابع موج الکترونی در هر دوره از یک منطقه فعال QCL سه چاه کوانتومی تکرار می شوند. سطح لیزر بالایی به صورت پررنگ نشان داده شده است.

طرح های منطقه فعال [ ویرایش ]

نرخ پراکندگی با طراحی مناسب ضخامت لایه در ابرشبکه که توابع موج الکترونی زیر باندها را تعیین می کند، تنظیم می شود. نرخ پراکندگی بین دو زیر باند به شدت به همپوشانی توابع موج و فاصله انرژی بین زیر باندها بستگی دارد. شکل توابع موج را در یک منطقه فعال QCL و انژکتور سه چاه کوانتومی (3QW) نشان می دهد.

برای کاهشدبلیو32W_{32}}، همپوشانی سطوح لیزر بالا و پایین کاهش می یابد. این اغلب از طریق طراحی ضخامت لایه ها به دست می آید به طوری که سطح لیزر بالایی عمدتاً در چاه سمت چپ ناحیه فعال 3QW محلی است، در حالی که عملکرد موج سطح لیزر پایین تر عمدتاً در چاه های مرکزی و سمت راست قرار می گیرد. . این به عنوان یک انتقال مورب شناخته می شود. انتقال عمودی ، انتقالی است که در آن سطح لیزر بالایی عمدتاً در چاه های مرکزی و سمت راست قرار می گیرد. این باعث افزایش همپوشانی و از این رو می شوددبلیو32W_{32}}که وارونگی جمعیت را کاهش می دهد، اما قدرت انتقال تابشی و در نتیجه افزایش را افزایش می دهد.

به منظور افزایشدبلیو21W_{21}}توابع امواج سطح پایین لیزر و سطح زمین به گونه ای طراحی شده اند که همپوشانی خوبی داشته باشند و افزایش دهند.دبلیو21W_{21}}علاوه بر این، فاصله انرژی بین زیر باندها به گونه ای طراحی شده است که برابر با انرژی طولی نوری (LO) فونون (~36 مگا ولت در GaAs) باشد، به طوری که پراکندگی فونون-الکترون رزونانس LO می تواند به سرعت سطح لیزر پایین را خالی کند.

سیستم های مواد [ ویرایش ]

اولین QCL در سیستم مواد GaInAs/AlInAs ساخته شد که با یک بستر InP مطابقت داشت . [1] این سیستم ماده خاص دارای افست باند هدایت (عمق چاه کوانتومی) 520 مگا ولت است. این دستگاه‌های مبتنی بر InP به سطوح بسیار بالایی از عملکرد در محدوده طیفی مادون قرمز میانی دست یافته‌اند و به قدرت بالا، بالاتر از دمای اتاق و انتشار امواج پیوسته دست یافته‌اند. [4]

در سال 1998 QCLهای GaAs / AlGaAs توسط Sirtori و همکاران نشان داده شد. اثبات اینکه مفهوم QC به یک سیستم مادی محدود نمی شود. [5] این سیستم مواد دارای عمق چاه کوانتومی متغیری است که بستگی به کسر آلومینیوم در موانع دارد. [ نیاز به منبع ] اگرچه QCLهای مبتنی بر GaAs با سطوح عملکرد QCLهای مبتنی بر InP در مادون قرمز میانی مطابقت ندارند، اما ثابت کرده اند که در ناحیه تراهرتز طیف بسیار موفق هستند. [6]

حد طول موج کوتاه QCL ها با عمق چاه کوانتومی تعیین می شود و اخیراً QCL ها در سیستم های مواد با چاه های کوانتومی بسیار عمیق به منظور دستیابی به انتشار طول موج کوتاه توسعه یافته اند. سیستم مواد InGaAs/AlAsSb دارای چاه های کوانتومی با عمق 1.6 eV است و برای ساخت QCL هایی که در 3.05 میکرومتر ساطع می شوند، استفاده شده است. [7] QCL های InAs/AlSb دارای چاه های کوانتومی با عمق 2.1 eV هستند و الکترولومینسانس در طول موج های کوتاه 2.5 میکرومتر مشاهده شده است. [8]

زوج InAs/AlSb جدیدترین خانواده مواد QCL در مقایسه با آلیاژهای رشد یافته بر روی بسترهای InP و GaAs است. مزیت اصلی سیستم مواد InAs/AlSb جرم الکترون موثر کوچک در چاه‌های کوانتومی است که به سود بالا بین زیر باندی کمک می‌کند. [9] این مزیت را می توان در QCLهای با طول موج بلند که سطوح انتقال لیزر نزدیک به انتهای نوار رسانایی است و اثر غیرپارابولیکی ضعیف است، بهتر مورد استفاده قرار داد. QCL های مبتنی بر InAs عملکرد موج پیوسته (CW) دمای اتاق (RT) را در طول موج های تا حداکثر نشان داده اند.17.7 �متر{\displaystyle 17.7~\mu m}با چگالی جریان آستانه پالسیجیتیساعت{\displaystyle J_{th}}به اندازه پایین1 کآ/جمتر2{\displaystyle 1~kA/cm^{2}}. [10] مقادیر کم ازجیتیساعت{\displaystyle J_{th}}همچنین در QCL های مبتنی بر InAs که در سایر مناطق طیفی منتشر می شوند، به دست آمده اند:0.715 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.715~kA/cm^{2}}در15 {\displaystyle 15~\mu m}، [11] 0.99 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.99~kA/cm^{2}}در11 {\displaystyle 11~\mu m} [12] و0.75 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.75~kA/cm^{2}}در7.7 {\displaystyle 7.7~\mu m} [13] (QCL روی InAs رشد کرده است). اخیراً QCL های مبتنی بر InAs در نزدیکی کار می کنند14 {\displaystyle 14~\mu m}باجیتیساعت{\displaystyle J_{th}} به اندازه پایین0.6 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.6~kA/cm^{2}}در دمای اتاق نشان داده شده است. آستانه به دست آمده کمتر ازجیتیساعت{\displaystyle J_{th}}از بهترین QCL های مبتنی بر InP گزارش شده تا به امروز بدون درمان فاست. [14]

QCL ها همچنین ممکن است به کار لیزر در موادی که به طور سنتی دارای خواص نوری ضعیفی در نظر گرفته می شوند اجازه دهند. مواد غیرمستقیم شکاف باند مانند سیلیکون دارای حداقل انرژی الکترون و حفره در مقادیر تکانه متفاوت هستند. برای انتقال نوری بین باندی، حامل‌ها حرکت حرکتی را از طریق یک فرآیند پراکندگی کند و متوسط ​​تغییر می‌دهند و شدت انتشار نوری را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند. با این حال، انتقال‌های نوری بین زیر باند مستقل از تکانه نسبی باند هدایت و حداقل باند ظرفیت هستند و پیشنهادات نظری برای گسیل‌گرهای آبشاری کوانتومی Si / SiGe ارائه شده است. [15]الکترولومینسانس بین زیر باندی از ساختارهای غیرقطبی SiGe برای طول موج های مادون قرمز وسط و مادون قرمز دور، هم در ظرفیت [16] [17] [18] و هم در باند رسانایی مشاهده شده است. [19]