توضیحات
پروژه شبیه سازی عملکرد حرارتی لیزر آبشار کوانتومی از طریق هیت سینک و نیمه هادی گالیوم آرسناید( GaAs) در کامسول
تاریخچه لیزرهای آبشاری چاه کوانتومی:
در سال 1960 قبل از به روی کار آمدن لیزرهای دیودی یک لیزر نیمه هادی بر اساس انتقالات درون باندی توسط لاكس پیشنهاد شد. این اولین پیشنهاد برای لیزرهای نیمه هادی بود که در آن انتقالات نوری بین ترازها در باند یکسان(ظرفیت با هدایت) انجام می گرفت. نظریه لیزر تک قطبی برای سال های زیادی به فراموشی سپرده شد. تنها ۲ سال پس از پیشنهاد لاكس (1962) اولین لیزر دیودی در آزمایشگاهHall ساخته شد. این کار برجسته باعث شد که تمام توجه محققین به سمت لیزرهای باند گاف انرژی معطوف شود. به طوری که با پیشرفت های سریع، اولین لیزر دیودی مد پیوسته در دمای اتاق در سال ۱۹۷۰ ساخته شد. یک سال بعد(در سال ۱۹۷۱) دو دانشمند به نام های کازارینو و سوریس پیشنهاد کردند که می توان گین نوری را با استفاده از یک ساختار سوپرلتیس که تحت بایاس یک میدان الکتریکی خارجی قرار دارد بدست آورد. این ساختار مفهوم یک لیزر تک قطبی را معرفی می کرد که در آن انتقالات نوری با تنظیم ضخامت مواد چاه و سد صرفنظر از باند گاف انرژی آنها، می تواند مدیریت شود. سال ها بعد، پس از ساخت اولین لیزر آبشار کوانتومی کاپاسو اعلام کرد ليزرهای چاه کوانتومی بالاخره ما را از گاف انرژی آزاد ساختند. بدین ترتیب اولین لیزر آبشار کوانتومی در سال ۱۹۹4 در طول موج 3/4 میکرومتر ساخته شد.
عملکرد لیزر آبشاری چاه کوانتومی:
انتقالات نوری به دو دسته ی میان باندی و درون باندی تقسیم می شوند. در انتقالات میان بندی تولید نور یک فرآیند دو حامله است، بدین صورت که از باز ترکیب یک الكترون در باند هدایت و یک حفره در باند ظرفيت، فوتون تولید می شود و فرکانس تشعشع توسط گاف انرژی ماده چاه کوانتومی تعیین می شود که تنها با تغيير اندازه چاه کوانتومی تنظیمات کوچکی امکان پذیر است.
چگالی حالات برای این انتقال نوری مطابق شکل زیر ثابت است. لذا طیف گین آن پهن می باشد. در انتقالات درون باندی تولید نور یک فرآیند تک حامله است که دو مزیت نسبت به انتقالات میان باندی دارد:
1-می توان فرکانس تشعشع را به کمک تابعی از پهنای چاه های کوانتومی تنظیم کرد و انرژی فرکانس تشعشع را به چند meV رسانید.
۲. توزیع انرژی هر زیر باند در فضای معکوس ممنتوم به صورت یک تابع دلتا است و مطابق مطابق شکل زیر چگالی حالات آن به صورت یک تابع دلتا خواهد بود (مشابه آنچه که در انتقالات اتمی رخ می دهد که منجر به کاهش پهنای طیف گینی می شود.
باتوجه به این ویژگی، ممکن است این طور به نظر برسد که تمام حامل ها در انتقالات نوری شرکت کنند و گین نوری به شدت افزایش یابد، ولی از طرف دیگر باید به این نکته توجه کرد که ارتعاشات غیرتشعشعی همانند فوتون ها در انتقالات درون باندی خیلی سریع تر از ارتعاشات غیر تشعشعی حاصل از باز ترکیب الكترون و حفره رخ می دهد، لذا به علت وجود جمعیت فونون از میزان گین کاسته می شود.
از این رو از طرح های آبشاری برای افزایش گین در انتقالات درون باندی استفاده می کنند. بنابراین لیزر آبشار کوانتومی یک لیزر تک قطبی، تک حامله است.
لیزر آبشار کوانتومی از یک سری چاه های کوانتومی ساخته شده است که به طور تناوبی تکرار می شوند. به طوری که با اعمال بایاس و تزریقیک الكترون به باند هدایت، آن الکترون با گذارهای بین زیر ترازی در قطعه، که به صورت آبشاری است، تعداد فوتون های زیادی تولید می کند.
شکل ساختار باندی یک نوع لیزر آبشار کوانتومی با ناحیه فعال.
شکل بالا نمونه ای از ساختار باندی یک لیزر آبشاری چاه کوانتومی است، که از یک سری مراحل تشکیل شده است. هر مرحله از یک ناحیهN تزریق کننده الکترون و یک ناحیه فعال چاه کوانتومی تشکیل شده است. تزریق کننده شامل یک مجموعه از چاه ها با پهناهای متغیر و سدهای نازک در بین آنها است که تشکیل ابر شبکه می دهند، به طوری که دارای ساختار تراز انرژی شامل مینی باندهای جدا شده به وسیله مینی گاف ها است. با اعمال بایاس، الكترون ها از طریق تونل زنی تشدیدی از انتهای(حالت پایه ای) یک مینی باند، به بالاترین حالت لیزری در ناحیه فعال چاه کوانتومی (تراز ۳) تزریق می شوند. یک فوتون با فرکانس از طريق گسیل القایی گذار بین زیر تر از ۳ و ۲، گسیل می شود. سپس الكترون از طریق پراکندگی فونون به تراز (1) واهلش می یابد و از طریق تونل زنی تشدیدی به مرحله ی بعد منتقل می شود.
این فرآیند تکرار می شود و فوتون های دیگری گسیل می شوند. لیزرهای آبشار کوانتومی می توانند در یک گستره ی بزرگ از طول موج ها (نواحی فرو سرخ متوسط و دور) کار کنند. آنها با انتخاب صحیح ضخامت چاهها، که به نوبه ی خود مشخص کننده زیر ترازهای انرژی و مینی باندها است، کار می کنند. در این گونه لیزرها، بازدهی کوانتومی خارجی بالا و چگالی جریان آستانه ی پایین، به دلیل این که یک تک حامل تولید فوتون های زیادی می کند بدست می آید. این نوع ادوات می توانند جریان های بالا را تحمل کنند به دلیل این که آنها به مواد با باند گاف پایین برای ساخت نیاز ندارند. نمونه ای از طراحی لیزرهای آبشار کوانتومی، شامل ادوات با حذف ناحیه تزریق، توسعه یافته اند که با تنظیم و طراحی دقیق ناحیه فعال کار می کنند. در این نوع لیزرها وارونگی جمعیت در هر مرحله از طریق تونل زنی تشدیدی بین حالت پایه مرحله ی قبل و بالاترین حالت لیزری آن مرحله بدست می آید. لازم به ذکر است که تونل زنی تشدیدی سریع ترین راه انتقال حامل ها به مرحله بعد و ایجاد وارونگی جمعیت در آنجا است. در شکل زیر ساختار باندی این نوع لیزرها نشان داده شده است.
عملکرد دمایی لیزرهای آبشاری چاه کوانتومی ناحیهTHz
یکی از مشخصه های کلیدی برای هر نوع لیزر نیمه هادی، عملکرد آن در دمای اتاق است. این امر هنوز برای لیزرهای آبشاری کوانتومی ناحیه تراهرتز تحقق نیافته است. بالاترین عملکرد دمایی برای این لیزرها در فرکانس های نشری نزدیک به THz 3 دیده شده است.
پس از اولین ساخت لیزر آبشاری ناحیهی مادون قرمز متوسط در سال 1994، پیشرفت سریعی در ماکزیمم عملکرد دمایی آن در مد پالسی صورت گرفته است، به طوری که امروزه شاهد عملکرد دمایی آن در دمای اتاق در مد پیوسته هستیم. در مقابل برای لیزر آبشاری ناحیهTHz از دمای۱50کلوین پیشرفت عملکرد دمایی چشمگیری حاصل نشده است. لذا نیازمند یک تغییر اساسی در طراحی این ادوات می باشیم که می تواند شامل تغییر در طراحی ناحیه فعال لیزر، با استفاده از مواد نیتریدی که دارای انرژی فونون نوری نزدیک به meV 90
هستند و یا حتی استفاده از ساختارهای نقطه کوانتومی باشد. در ساختارهای نقطه کوانتومی چون الكترون ها در هر سه راستایX و Y و Z محدود هستند، لذا نمی توانند انرژی لازم برای رسیدن به انرژی فونون نوری ماده مورد نظر را دریافت کنند، لذا جمعیت فوتون های نوری در آنها پایین است و سیستم می تواند در دماهای بالاتر نیز عمل کند، علاوه بر این در ساختارهای نقطه کوانتومی جريان آستانه لیزر پایین می باشد. مشکل عملکرد دمایی لیزرهای نیمه هادی منطقه تراهرتز می تواند با طراحی منابع تراهرتزی که برای گرفتن بهره نیازی به وارون سازی جمعیت ندارند، حل شود. یکی از این منابع، تولید فرکانس تراهرتز از طریق شیفت قرمز فرکانسی است. این دستاورد اگر چه منجر به قابلیت تنظیم طیفی پهنی می شود، در عین حال نیاز مند لیزرهای پمپ توان بالا (که منجر به حجیم شدن منبع می شود) است.
اخيرا ليزر آبشار چاه کوانتومی تراهرتزی ساخته شده که عملکرد آن بر اساس فرآیند غیر خطی تفاضل فرکانسی است و در دمای اتاق توان خروجی در حدود چند صد نانو وات تولید می کند.
موجبرهای پلاسمونی برای لیزرهای آبشاری چاه کوانتومی ناحیه تراهرتز
یکی دیگر از فاکتورهایی که منجر به پیشرفت عملکرد دمای لیزرهای آبشاری کوانتومی تراهرتز شده است، طراحی موجبر لیزر می باشد. برای رسیدن به توان خروجی ایده آل در لیزر لازم است که مد نوری به شدت در ناحيه فعال ليزر محدود شود. برای فرکانس های بین۱ تا ۵ تراهرتز که طول موج نور در مواد به کاررفته در لیزرهای چاه کوانتومی بین۲۰ تا ۱۰۰ میکرومتر می باشد، محدودکردن مد در ناحیه فعال لیزر بسیار سخت است، چون ضخامت ناحیه فعال با توجه به محدودیت های ساخت و روش های لایه نشانی نهایتا به میزان۱۰ میکرومتر میرسد، از این رو برای حل این مشکل از دو نوع موجبر پلاسمونی استفاده می شود.
در نوع اول که در ساخت اولین لیزر آبشاری چاه کوانتومی تراهرتز به کار رفته است، مطابق شکل زیر به ضخامت 0.2 تا 0.7 میکرومترGaAs با ناخالصی بین n=1-5*1018 روی زیرلایه GaAs رشد داده شده است و ناحیه فعال به ضخامت ۱۰ تا ۱۲ میکرومتر بر روی این لایه قرار گرفته است و نهایتا بر روی ناحیه فعال، فلز قرار داده شده است. برای این موجبر ضریب محدودکنندگی بین 0.1 تا 0.5 است. در نوع دوم مطابق شکل زیر در دو طرف ناحیه فعال از فلز استفاده می کنند که ضریب محدود کنندگی در این حالت نزدیک به ۱۰۰٪ می رسد. در لیزرهای آبشاری چاه کوانتومی تراهرتز با موجبر های فلز – فلز، تقریبا ۳۰ تا ۷۰ درصد تلفات موجبر از تلفات مربوط به Clad های فلزی موجبر ناشی می شود که مقدار دقیق آن به طول موج نشری، طراحی ناحیه فعال و میزان ناخالصی وابسته است.
شکل الف) موجبر پلاسمون – سطح نیمه عایق، ب) موجبر پلاسمونی فلز – فلز.
قبل از اختراع لیزر های دیودی، لیزر نیمه هادی بر اساس گذارهای بین ترازهای لانداو در میدان های مغناطیسی قوی توسط لكس در سال ۱۹۶۰ پیشنهاد شده بود. این اولین پیشنهاد لیزر نیمه هادی بود که در آن گذار نوری مابین حالت های یک باند مشابه ( هدایت یا ظرفیت) بعوض باز ترکیب جفت الكترون – حفره در عرض باند ممنوعه اتفاق می افتد. ایده لیزر تک قطبی(تک حاملي) بعد از اولین پیشنهاد آن توسط لکس از ذهن ها پاک شده بود و دو سال بعد از آن اولین دیود لیزری بر اساس باز ترکیب جفت الكترون – حفره ارائه شد. این شاهکار تمامی توجهات انجمن های نیمه هادی را بسمت لیزرهای باند ممنوعه سوق داد، و رقابتی برای ارائه اولین لیزر دیودی موج پیوسته که در دمای اتاق عمل می کرد شروع شد. رقابت در سال ۱۹۷۰ با ارائه اولین لیزر موج پیوسته با ساختار ناهمگن/GaAs AlGaAs به پایان رسید. تلاش جهت بهبود عملکرد لیزرهای دیودی و توسعه تکنولوژی ترانزیستوری عناصر گروه III-V تغییرات بزرگی در تکنیک های لایه نشانی جهت رشد لایههای نیمه هادی نازک و تولید ساختارهایی با مفهوم دو بعدی مثل چاه های کوانتوم و لایه های معکوس بوجود آورد. در واقع زمانی که لیزرهای دیودی به حد کمال تکنولوژیکی خود رسیده بودند، اساکی وتی سو مقاله اصلی خودشان را که در مورد مفهوم ابرشبکه بود چاپ کردند( در سال ۱۹۷۰).
یک سال بعد کازارینوو و سیروس (۱۹۷۱) پیشنهاد کردند که بهره نوری می تواند با استفاده از گذار های بین دو حالت ساختار دو بعدی در یک ابر شبکه بایاس شده توسط یک میدان الکتریکی خارجی بدست آید. این ساختار و مفهوم در مقایسه با سایر لیزرهای نیمه هادی زمان خود خیلی تازه بود و مفهوم قطعه تک قطبی ( تک حامل) را که در آن گذار های نوری بطور کامل توسط پهنای چاه و مواد سد و بدون در نظر گرفتن انرژی باند ممنوعه مربوطه مهندسی و کنترل می شدند معرفی شد.
سال ها بعد، پس از نمایش اولین لیزر آبشاری کوانتومی در یک کنفرانس، کاپاسو با افتخار اظهار کرد که لیزرهای آبشاری کوانتومی بالاخره ما را از قید باند ممنوعه آزاد کردند. به آسانی نمی توان قضاوت کرد که آیا ساختار و سیروس واقعا بهره نوری داشته یا نه و این به دو دلیل است: دلیل اول مربوط به فقدان منابع الكتروني لازم است که حامل ها را به هر ناحیه فعال مربوط به ساختار آبشاری تزریق می کرد. بدون منبع لازم الکترونها از اتصالات آورده می شوند که این هم باعث میشود ساختار بصورت الکتریکی بدلیل تشکیل نواحی بارهای فضایی، ناپایدار شود. دلیل دوم ناشی از فقدان ناحیه ای است که الکترون های با انرژی بالا بتوانند بدون برگشت به حالت های قبلی، در اثر حرارت، انباشته شوند. به عبارت دیگر ساختار پیشنهاد شده توسط کازرینوو و سیروس شامل ناحیه تزریق نبود و چنانچه می دانیم امروزه این قسمت به عنوان یک بخش اساسی یک لیزر آبشاری کوانتومی می باشد. تا ۱۵ سال بعد از اولین پیشنهاد، هیچگونه پیشرفتی در جهت تحقق ليزر تک قطبی صورت نگرفت. در اواخر دهه ۸۰ و اوایل دهه ۹۰ محققان روی اثر تونل زنی حامل ها کار می کردند. در عرض چند سال توسط چندین پیشنهاد مشخص شد که چگونه شرط وارونگی جمعیت با استفاده از گذارهای بین باندی در ابر شبکه ها یا چاه های کوانتومی کوپل شده می تواند بدست آید. البته این پیشنهادها بطور واقعی اجرا نشد. در سال ۱۹۸۸ کاپاسو در آزمایشگاه بل روی تونل زنی حامل ها کار می کرد و همان سال وی مقاله ای را ارائه و به چاپ رساند که در آن یک لیزر تک قطبی بر اساس ساختار ابر شبکه پیشنهاد داده بود.. در واقع او کار روی اندرکنش نور با گذارهای زیرباند را در دهه ۹۰ شروع کرد که در این دهه سیر نوری جهت مطالعه روی ویژگیهای خطی و غیر خطی نوری این گذارها در سال ۲۰۰۰ به گروه او ملحق شد. یک سال بعد از ملحق شدن فیست به گرو کا پاسو پروژه لیزر واقعا شتاب زیادی گرفت. در عرض دو سال و اندی بعد از ورود وی در ۱۴ ژانویه۱۹۹۴، فيست عملکرد لیزر با طول موج 4.3 میکرومتر در لیزر زیر باند را مشاهده کرد و لیزر آبشاری کوانتومی متولد شد. نتایج اصلی ماهها بعد در دانش منتشر شد. توجه به این نکته جالب است که در محدوده مادون قرمز میانی(15 میکرومتر> لاندا > 3 میکرومتر) عملا مشاهده الكترولومینانس در پیادهسازی لیزر پیش بینی شده است. این مربوط است به مشکلات ذاتی مشاهده انتشار خود بخودی از یک الكترون در زیر باند تحریک شده که بازدهی تشعشعی نزدیک به 10-5 دارد. پس از چندین سال، بعد از اولین نمایش کارایی لیزرهای آبشاری کوانتومی بطور چشمگیری بهبود یافت. در سال ۱۹۹۶ عملکرد بالای دمای اتاق در حالت کاری بصورت پالسی بدست آمد و محدوده طول موج بلند فعلا تا 300 میکرومتر گسترش یافته است. لیزرهای آبشاری کوانتومی در طول موج های 3 میکرومتر و 15 میکرومتر و در دمای اتاق بصورت موج پیوسته و با چند صد میلی وات بصورت معمولی عمل می کنند. در دمای پایین مفهوم لیزرهای آبشاری کوانتومی به محدوده تراهرتز گسترش یافته است و رنج کلی طول موج در محدوده 3.5 تا 300 میکرومتر نشان داده شده است.
در فاصله زمانی مابین ارائه اولین لیزر و لیزرهای موجود چندین مقاله توسط گروه های متفاوت ارائه شده است. تعدادی از نوآوری های موجود را که نقش مهمی در این حوزه ایفا می کنند را بیان می کنیم. به ترتیب تاریخی، در سال ۱۹۹۸ لیزر آبشاری کوانتومی با ساختار غیرهمگن و بر اساس GaAs در آزمایشگاه تامسون پیاده سازی شد. در سال ۲۰۰۲ لیزرهای آبشاری کوانتومی تراهرتز در اسکولا تحقق داده شد و در همان سال در دانشگاه نوشاتل اولین لیزر موج پیوسته که در دمای اتاق کار می کرد ارائه شد. در سال ۲۰۰۴ قطعاتی که با توان بالا در دمای اتاق کار می کردند ارائه شدند. در حال حاضر روی مطالب باقی مانده زیر در مورد لیزرهای آبشاری کوانتومی بحث می شود قطعاتی با طول موج های کوتاه(3 میکرومتر> لاندا) که در این حالت ترکیبات جديد مواد غیر هم جنس استفاده شده مثل(Sb یا GaN). استفاده از ساختارهای یک بعدی و صفر بعدی جهت تحقق لیزرهای آبشاری کوانتومی بر اساس سیم کوانتومی یا نقطه کوانتومی ، بهبود بازده در پوشه حصار و درک و تفسیر مساله مساله اشباع بهره که پیک توان خروجی را محدود می کند.
مهندسی کوانتوم:
در قرن اخیر سر و کار مهندسانی که با مواد چگال سر و کار دارند مثل مواد لازم برای الکترونیک، اپتوالکترونیک و در حالت کلی علم مواد، اکثرا در ارتباط با دستکاری ویژگی ها و خواص مواد که بطور مستقیم از شیمی اجزاء اصلی بدست می آیند، بود. مهندسی کوانتوم پیوند های شیمیایی بین اتم ها که برای کشف و تولید مواد جدید بررسی می شدند سر و کاری ندارد بلکه مهندسی کوانتوم امکان کنترل ویژگی های مواد را با تعریف سایز (اندازه) توزیع فضایی اجزاء سازنده، آنها را در سطح نانو و مستقل از طبیعت رفتار و خواص شیمیایی مطالعه می کند. خواص نهایی این رده جدید از مواد مستقیما از تعریف دوباره خواص توپولوژیکی ( مکانی ) در سطح اتمی بدست می آید و با نتایج مشابه روی ترکیبات مختلف مواد اعمال شود. از این لحاظ علوم مربوط به نانو تکنولوژی مستقیما از مهندسی کوانتوم نشئت می گیرند. لیزر آبشاری کوانتومی یک مثال عالی است از اینکه چطور مهندسی کوانتوم می تواند جهت درک کردن کارایی و بازده قطعات و ساطع کننده ها در رنج مادون قرمز میانی استفاده شود، می باشد. در این قطعات عملکرد بر اساس خواص فیزیکی مواد سازنده نمی باشد بلکه این مدل از چگونگی چینش لایه های پی در پی ساختار غیر همگن بدست می آید.
مهندسی کوانتوم که با پیشرفت های اخیر در تکنیک های رشد لایه نشانی مرتبط می باشد به شخص اجازه می دهد با پتانسیل های ساختگی کریستال نیمه هادی با توابع موج و ترازهای انرژی الکترونیکی دلخواه در ارتباط باشد. این روش اساس اصلاح و تغییر خواص نوری و انتقال نیمه هادی است و راه هایی را برای مواد مصنوعی و تولید و ایجاد قطعات مفید باز کرده است. یک مثال قابل توجه از این مفهوم، لیزرهای آبشاری کوانتومی تراهرتز است که در آن با وارد کردن کمتر از %2 از اتم هایAl در داخل کریستالGaAs، یک نیمه هادی توده ای را طوری تغییر می دهیم که بصورت لیزر مادون قرمز دور عمل بکند. یک جنبه مهم دیگر لیزرهای آبشاری کوانتومی که به مهندسی کوانتوم مرتبط است عبارتست از اینکه عملکرد این قطعه اساساً مستقل از مواد استفاده شده در ساختار نیمه هادی است. امروزه لیزرهای آبشاری کوانتومی با استفاده از ترکیبات سه تایی مواد ساخته می شوند: GaInAs/AlInAs/InP که یک ترکیب پایه به حساب می آید و برای لیزرهای رنج مادون قرمز میانی بهترین عملکرد را از خود نشان می دهد، GaAs/AlGaAs/GaAs برای لیزرهای تراهرتز، ساختار AlSb/InAs/GaSb یا AlSb/InAs/InAs برای کاربردهای موج کوتاه مناسب هستند. نکته جالب این است که در این سه ترکیبیاد شده برای مثال لیزرهای آبشاری کوانتومی با طول موج 10 میکرومتر ساخته شده اند، ثابت می کنند که طول موج منتشر شده کلا از گذارهای ذاتی مواد سازنده مستقل است. این یک ویژگی منحصر بفرد است و هیچ لیزر دیگری این ویژگی را ندارد.
لیزرهای نیمه هادی، شامل لیزرهای چاه کوانتومی، براساس گذارهای بین باندهای انرژی عمل می کنند که در آن الکترون ها به باند هدایت و حفره ها به باند ظرفیت لایه فعال توسط بایاس مستقیم پیوندP-N تزریق می شوند و از باز ترکیب آنها در عرض باند ممنوعه مواد نور منتشر می شود.
انرژی باند ممنوعه طول موج نور منتشر شده را مشخص خواهد کرد. علاوه بر آن بعلت اینکه جمعیت الکترون ها و حفره ها بطور وسیع در باندهای ظرفیت و هدایت مطابق با آمار فرمی توزیع شده اند و این باعث پهن شدن طیف بهره شده و پهنای آن وابسته به انرژی گرمایی است.
لیزر زیرباند تک قطبی یا لیزر آبشاری کوانتومی از لحاظ اصول اساسی با لیزرهای دیودی متفاوت است. تمام اختلاف ها از دو ویژگی منحصر بفرد لیزرهای آبشاری کوانتومی نشئت می گیرد و این لیزرها را از منتشر کنندههای نور نیمه هادی معمولی مجزا ساخته است. این ویژگی ها عبارتند از تک قطبیت(الكترون تنها یا حفره تنها) و طرح آبشاری باز گردانی الکترون.
این دو ویژگی بصورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده اند.
خواص لیزرهای آبشاری کوانتومی تک قطبی و حالت آبشاری.
برای مثال در سال ۱۹۹۷، گارسیا لیزر بین باندی آبشاری در طول موج 830 نانومتر را ارائه کرده درحالیکه ماشل در ۱۹۹۸یک لیزر زیرباندی را بدون طرح آبشاری ارائه کرده است. تک قطبیت در لیزرهای آبشاری کوانتومی نتیجة گذارهای نوری است که مابین حالتهای باند ظرفیت و بدلیل تدریج در چاه های کوانتومی روی می دهد. این گذارها عموماً به عنوان گذارهای زیر باندی معروف هستند. حالات شروع و پایانی در باند ظرفیت هستند و بنابراین انحنای یکسان و برابری را در فضای معکوس دارند. اگر حالت غیر سهموی باندها را در نظرنگیریم، کل چگالی حالت ها خیلی تیز می باشند یعنی تقریباً مشابه حالت گذارهای اتمی. در مقایسه با گذارهای باندی، پهنای باند بهره تنها بصورت غیر مستقیم به دمای ناشی از فرآیندهای تصادم و اثرات تمام بدنه وابسته است. به علاوه برای این قطعات طول موج منتشره به پهنای باند ممنوعه مواد سازنده وابسته نیست اما می تواند با تغییر پهنای لایه ها تنظیم شود. بالاترین انرژی فوتون قابل دسترس نهایتا توسط ناپیوستگی باند هدایت ,AEc مواد سازنده بدست می آید در صورتیکه از جنبه طول موج بلند هیچ محدودیت اساسی از لحاظ ساخت قطعات آبشاری کوانتومی که در طول موجهای مادون قرمز دور نور منتشر کند وجود ندارد. ویژگی اساسی دیگر لیزرهای آبشاری کوانتومی طرح آبشاری و چند طبقه بودن آنها است که بوسیله آن الکترون ها در هر زمان در بهره و انتشار نور شرکت می کنند و از پریودی به پریود دیگر بازگردانی می شوند. بنابراین هر الكترون تزریق شده بالای آستانه اصولا میتواند به تعداد Np فوتون لیزری تولید بکند که ما تعداد پله ها است این باعث خواهد شد که np>>1 و بنابراین توان نوری خروجی خیلی بالا باشد، با توجه به اینکه هر دو مقدار مذکور متناسب با Np هستند.
شکل شماتیک نحوه کار لیزرهای آبشاری کوانتومی.
مراحل ساخت لیزر آبشاری کوانتومی.
شکل ابعاد لیزر آبشاری کوانتومی.
کاربردها:
همچنانچه گفته شده این نوع لیزرها منابع نوری همدوسی هستند که در دمای اتاق و در رنج مادون قرمز میانی یعنی طول موج های 15-3 میکرومتر به راحتی قابل استفاده می باشند. لیزرهای آبشاری کوانتومی برای کاربردهای زیادی همچون سنسور گاز، مخابرات نوری فضای آزاد، عملیات و اقدامات نوری بسیار جذاب هستند. در رنج های کاری تراهرتز نیز طیف بینی مولوکلی یا کاربردهای تصویری پتانسیل کاری خوبی را برای لیزرهای آبشاری کوانتومی با طول موج بلند را وعده می دهد. کاربردهای سنسور گازی شامل آشکار سازی گاز، آلودگی گازی، مراقبت عملیات، جداسازی ایزوتوپ و غیره می باشد. لیزرهای تک مود با پهنای طیف باریک و نرخ حذف مودهای کناری بالا، جهت کاربردهای حلیف بینی لازم است. تنظیم طول موج منتشره یک خاصیت مهم است که از طریق شیفت دمائی پهنای لیزر توسط جریان اعمال شده بدست می آید. همچنین عملکرد در دماهایT بالا برای بسیاری از کاربردها لازم می باشد. عملکرد بصورت موج پیوسته برای کاربردهای طیف بینی لازم و ضروری است. مخابرات فضای آزاد یکی دیگر از منافع لیزرهای آبشاری کوانتومی می باشد که در طول موج های 3-5 و 8-12 میکرومتر ( پنجره های هوائی) نور منتشر می کنند.
طول موج های بزرگتر از لحاظ تئوری بعلت اینکه آنها حساسیت کمی به پراکندگی رایلییا شرایط بد جوی دارند جهت استفاده در مخابرات فضای آزاد بهتر هستند. همچنین لیزرهای آبشاری کوانتومی گزینه های خوبی برای اقدامات و پیش بینی های نوری هستند. برای چنین کاربردهائی توان ارسالی هنوز یک مسئله می باشد. تنوع تکنولوژی لیزر و توانائی آن در تولید منابع چند طول موجی می تواند یک مزیت در این عرصه باشد.
حوزه های کاری جدید لیزرهای آبشاری کوانتومی
علاوه بر کاربردهای عمومی لیزرهای آبشاری کوانتومی حوزه های کاری جدیدی برای این لیزر مطالعه شده اند. به کمک انعطاف پذیری ناحیه فعال و طرح آبشاری پدیده های جدیدی همچون نور غیر خطییا رامان ليزلنگ در داخل کاواک لیزر می تواند مطالعه و بررسی شود. یکی دیگر از مهمترین بخش های جذاب در حوزه کاری جدید تحقیق طیف منتشره می باشد. هدف این تحقیقات افزایش پهنای لیزر آبشاری کوانتومی می باشد. از لحاظ طول موج بلند که حوزه کاری لیزرهای تراهرتز 3-300 میکرومتر می باشد حوزه کاری جدیدی را بنام طیف بینی مولوکلی باز کرده است. در این لیزرها ایجاد شرایط طول عمر بالا برای حالت ۳ (حالت تحریک) و سریعتر خالی کردن حالت های۲ و ۱ توسط پراندگی فونون های نوری بسیار حیاتی می باشد. در طرف دیگر هم روی لیزرهای آبشاری کوانتومی با طول موج های کوتاهتر از 3 میکرومتر جهت تکمیل منابع لیزری نیمه هادی که در دمای اتاق کار می کنند مطالعات گسترده ای در حال انجام است.
شرح پروژه:
در این تحقیق مدلسازی و شبیه سازی لیزر کوانتومی آبشاری از طریق هیت سینک مسی و نیمه هادی گالیم آرسناید( GaAs ) در نرم افزار کامسول (COMSOL) انجام شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
