Квантовые каскадные лазеры
Квантовые каскадные лазеры (QCL лазеры) представляют собой тип полупроводникового лазера, который использует квантовые ямы, выращенные методом эпитаксии и содержащие электроны в состоянии генерации. Они впервые были продемонстрированы Bell Labs Team в 1994 году. Оптическая физика квантового каскадного лазера отличается от диодного лазера. В квантово-каскадном лазере генерация излучения происходит между состояниями в пределах одной квантовой ямы, в то время как в диодном лазере переходы осуществляются между зоной проводимости и валентной зоной полупроводникового материала.
Одним из преимуществ этой конструкции является то, что электрон несет ответственность за эмиссию фотонных туннелей в следующую квантовую яму и, как следствие, несколько фотонов могут быть получены с помощью одного электрона, тем самым делая их чрезвычайно эффективными. Туннелирование из одной ямы в другую - вот откуда берется термин "квантовый каскад". Кроме того глубина ямы также может быть сконструирована путем регулирования глубины слоя в процессе изготовления и, следовательно, длина волны лазерного перехода зависит от физической структуры прибора. Благодаря тщательному проектированию квантовых ям была достигнута генерация лазерного излучения на длинах волн короче 2,75 мкм, и так длиннее чем 161 мкм (1.9 ТГц). Чем длиннее длина волны излучения лазера, тем требуется криогенное охлаждение, но работа при комнатной температуре, как наблюдалось, осуществляется, по крайней мере, до 16 мкм. Таким образом, интерес к квантовым каскадным лазерам был сосредоточен в средней инфракрасной области спектра (3.5-13 мкм) и террагерцовом диапазоне (2-5 ТГц ≈ 60-150 мкм).
Профиль усиления квантового каскадного лазера может быть весьма широк (> 500 см-1 в некоторых случаях). Предоставляя монохроматическую обратную связь, либо через использование распределенного резонатора с обратной связью (DFB) или путем построения внешнего резонатора (ECqcL), спектральная ширина линии излучения может быть достоверно сужена до всего лишь 0,00002 см-1 (около 0,5 МГц). Естественная спектральная ширина линии может быть несколько сотен герц. Кроме того в обеих архитектурах приборов длина волны излучения может быть перестроена (с помощью температуры или вращение дифракционной решетки, соответственно), хотя DFB ограничивается лишь парой волновых чисел, а ECqcL может обеспечить сотни волновых чисел покрытия. Таким образом, узкополосное, широко перестраиваемое инфракрасное излучение в среднем ИК диапазоне получается в одностадийном полупроводником лазере.
В компании Daylight Solutions были сформированы основные технологии вокруг квантово-каскадных лазерных чипов, покрытий, дизайн резонатора, управления теплоотводом и конструкции повышенной прочности. Конфигурация с внешним резонатором ECqcL используемая компанией Daylight Solutions показана на рисунке 1. Чип усиления квантового каскадного лазера устанавливается между двумя коллимирующими линзами. Запатентованный дизайн и размещение этих линз облегчает сбор света, сильно расходящегося от чипа лазера. Коллимированное излучение от двух линз соединяется и попадает на селективно отражаемую дифракционную решетку. При повороте дифракционной решетки излучение различной длины волны подается обратно в квантово-каскадный чип, заставляя его излучать с характерной узкой спектральной шириной линии. При разумном размещении оси, вокруг которой вращается дифракционная решетка, длина резонатора может быть точно согласована с выбранной длиной волны излучения, и перестройка длины волны может быть получена при непрерывной фазе сигнала (режим свободный от перескока моды). Благодаря такой конструкции стало возможным получить перестройку длины волны излучения > 120 см-1 в режиме без перескока моды и более 500 см-1 общей перестройки.
Рисунок 1. Внешний квантовый каскадный резонатор в конструкции лазера.
Как упоминалось выше, были изготовлены квантово-каскадные чипы, которые создают излучение в спектральном диапазоне от 2,75 до 160 мкм. Компания Daylight Solutions использует такие лазерные чипы с внешним резонатором (ECqcL) для производства инфракрасных перестраиваемых лазеров. На рисунке 2 показана типовая производительность таких лазерных систем.
Рисунок 2. Доступные диапазоны перестройки для непрерывного ИК лазера с внешним резонатором (ECqcL). Кривые обозначенные красным цветом стали доступны с июня 2010 года.
Многие применения в средней ИК области спектра требуют широкого спектрального диапазона длины волны излучения. Научные исследователи предложили несколько способов расширить спектральный диапазон работы квантовых каскадных лазеров. Прямой метод заключается в расширении усиления отдельных чипов. На рисунке 3 представлен график диапазона перестройки центральной длины волны излучения квантовых каскадных лазеров, встречающихся в научной литературе. Как видно, есть тенденция к более широкой перестройке длины волны излучения и перестройка от 800 до 1000 см-1, вероятно, не за горами. Другие исследователи работали над производством нескольких чипов усиления на одном кристалле.
Рисунок 3. График литературных значений перестройки квантовых каскадных лазеров в течение долгого времени.
В ряде применений широко используются квантовые каскадные лазеры для среднего инфракрасного диапазона. Эта область спектра интересна по двум причинам. Атмосфера (по крайней мере часть атмосферы) прозрачна на этих длинах волн и многие газы имеют сильные фундаментальные поглощения в этой области, что позволяет обнаруживать и идентифицировать их. На рисунке 4 показано пропускание света через атмосферу от видимой до средней инфракрасной области спектра. Значительные участки с высокой пропускной способностью существуют в среднем ИК диапазоне и могут быть использованы для передачи энергии на этих длинах волн для различных применений. На рисунке 5 показан график среднего инфракрасного диапазона спектра с числом газов, которые имеют сильные полосы поглощения. Средний инфракрасный диапазон богат информацией для тех, кто хочет исследовать, обнаруживать, получать изображение или количественные данные об этих данных, включая взрывчатые вещества, нервно-паралитические вещества и токсины.
Рисунок 4. Пропускание света через атмосферу от видимой до средней инфракрасной области. Показаны источники основных поглощений.
Рисунок 5. Графическое представление расположения сильных поглощений различных молекул газов.
Основным применением для квантовых каскадных лазеров является обнаружение взрывчатых веществ. В этой развивающейся сегодня области исследователи поставили амбициозную цель – обнаружить и распознать нанограммные количества различных взрывчатых веществ с помощью безопасного для глаза лазера на расстоянии до 50 м. Существует несколько методик для решения данной задачи, одной из которых является тепловизионный подход. Когда вещество поглощает инфракрасное излучение оно переизлучает большую часть поглощенного света изотропно в виде тепла, которое может быть идентифицировано с помощью инфракрасных камер. Поскольку каждое вещество используемое при анализе имеет уникальный спектр поглощения, каждое из них будет нагреваться селективно по мере того как источник излучения в среднем ИК диапазоне перестраивает свою длину волны излучения через эти линии поглощения, которые могут быть однозначно идентифицированные путем анализа полученных спектральных или гиперспектральных данных.
В то время как квантовые каскадные лазеры служат двигателем прогресса для новых методов в спектроскопии в средней ИК области спектра, они также позволяют получить высокую выходную мощность излучения, превышающую 5 Вт при комнатной температуре. Мощные полупроводниковые лазеры, работающие в средней области инфракрасного излучения, в так называемых "атмосферных окнах", могут быть использованы в качестве треккер-указателей, чтобы отключить механизм теплового наведения, используемый в ракетах типа земля-воздух, и сохранить жизнь солдат в боевых ситуациях.
Квантовые каскадные лазеры прошли путь от научных лабораторных экспериментов до промышленных применений, таких как обнаружение утечек газа и взрывчатых веществ. Оптическая физика работы этих лазеров является уникальной, и она обещает обеспечить постоянные улучшения в работе этих приборов. Компания Daylight Solutions сыграла ключевую роль в становлении квантовых каскадных лазеров в качестве надежных высокопроизводительных источников излучения для средней инфракрасной области спектра.
