Laser tầng lượng tử

Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của laser tầng lượng tử

Laser tầng lượng tử

1.Giới thiệu:

Laser tầng lượng tử (Quantum Cascade Lasers-QCLs) là một loại laser bán dẫn phát ra phần hồng ngoại bậc trung đến xa (mid-to-far infared ) trong quang phổ điện từ (electromagnetic spectrum).Sự tồn tại của QCLs lần đầu tiên được kiểm chứng bởi Jerome Faist, Federico Capasso , Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson, và

Alfred Cho tại Phòng thí nghiệm của

hãng Bell (Bell Laboratories) vào năm

1994.[1]

Không giống như Laser bán dẫn thông

thường,vốn phát ra bức xạ điện từ

(electromagnetic radiation) thông qua

việc tái tổ hợp (recombination) của các

cặp điện tử-lỗ trống(electron-hole

pairs),laser tầng lượng tử -QCLs là một loại vật chất đơn cực (unipolar) và sự phát xạ đạt được thông qua việc sử dụng các hiệu ứng chuyển tiếp liên vùng (intersubband) trong một quá trình lặp đi lặp lại của các chất bán dẫn có chứa nhiều cấu trúc lượng tử hetero (heterostructures ),ý tưởng này lần đầu tiên

được đề xuất trong bài báo của Kazarinov và Suris năm 1971 [2]

2.Sự phát triển của Laser tầng lượng tử:

• Cấu trúc giếng lượng tử GaAs/AlGaAs – sự chia tách mức năng lượng được điều chỉnh bằng độ rộng giếng lượng tử

• Điều chỉnh độ rộng hàng rào và thời gian chui hầm cho phép điểu khiển chính xác thời gian sống của trạng thái – cho phép đảo lộn mật độ

3.Bản chất của Laser tầng lượng tử:

Trong một đơn vị chiều dài của tinh thể bán dẫn , các điện tử có thể chiếm các trạng thái năng lượng theo một trong hai vùng năng lượng liên tục (continuous energy bands) - các vùng hóa trị (valence band) , được lấp đầy với các điện tử năng lượng thấp và vùng dẫn (conduction band)với số lượng

ít các điện tử mức năng lượng cao.Hai vùng năng lượng này được phân cách bởi vùng cấm(forbidden band),tại vùng cấm không tồn tại trạng thái năng lượng (state) để điện tử chiếm chỗ Điốt laser bán dẫn thông thường tạo ra ánh sáng bởi một đơn photon được phát ra khi một electron năng lượng cao trong vùng dẫn tái tổ hợp với một lỗ trống trong vùng hóa trị

Tuy nhiên laser tầng lượng tử không

sử dụng số lượng lớn vật liệu bán dẫn

quang học trong khu vực hoạt động

của nó Thay vào đó nó bao gồm hàng

loạt các lớp mỏng tuần hoàn của các

thành phần vật chất khác nhau tạo

thành một dạng siêu lưới

(superlattice) Dạng siêu lưới này thể

hiện một sự thay đổi điện thế (electric

potential) trên khắp chiều dài của thiết

bị, điều đó có nghĩa rằng có một thay

đổi xác suất (probability) của các điện

tử chiếm vị trí khác nhau trên chiều dài của thiết bị Điều này dẫn đến việc phân chia vùng năng lượng thành các tiểu vùng (subband) rời rạc.Thiết kế phù hợp với độ dày của lớp nhằm mục đích sắp xếp lại sự đảo ngược mật độ (population inversion) giữa hai tiểu vùng năng lượng trong hệ thống,điều này

là cần thiết để đạt được sự phát xạ laser.Vị trí của các mức năng lượng trong

hệ thống chủ yếu phụ thuộc vào đọ dày lớp chứ không phụ thuộc vào loại vật chất được sử dụng.Ta có thể để điều chỉnh bước sóng phát xạ của QCLs trên một phạm vi rộng trong cùng một hệ thống vật liệu

Ngoài ra, trong điốt laser bán dẫn, điện tử

và lỗ trống trung hòa điện tích sau khi tái tổ hợp qua lỗ hổng (band gap) Tuy nhiên trong một QCL đơn cực, một khi một điện

tử đã trải qua một quá trình chuyển đổi và phát xạ liên vùng (intersubband) một photon trong một khoảng thời gian hình thành siêu lưới,thông qua hiệu ứng đường hầm (tunnel)

nó có thể đi vào giai đoạn kế tiếp của cấu trúc nơi photon khác có thể được phát ra Quá trình này của một điện tử duy nhất gây ra sự phát xạ của các photon nhiều hơn khi nó đi qua thông qua các cấu trúc của laser lượng tử và tạo ra một hiệu ứng lượng tử (quantum

4.Nguyên lý hoạt động,các phương trình đặc tính cuả QCLs:

QCLs thường dựa trên một hệ thống ba cấp (three-level system) Giả sử sự hình thành của hàm số sóng là một quá trình nhanh hơn so với sự phân tán giữa các trạng thái năng lượng, phương trình Schrödinger có thể được áp dụng và hệ thống có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng phương trình tốc độ.Mỗi tiểu vùng năng lượng chứa một số

electron n i (i là số các tiểu vùng năng lượng) mà phân tán giữa các mức với thời gian

sống (lifetime) τ i f (đối ứng của tán xạ tỷ lệ trung bình của các tiểu vùng W i f), i và f là số tiểu vùng ban đầu và cuối cùng Giả sử không có các tiểu vùng khác được phân bố, phương trình tỷ lệ cho laser cấp ba được xác định bởi:

Trong trạng thái ổn định , thời gian phái sinh(time derivatives) được tính từ không và I in

= I out = I Phương trình tỷ lệ chung cho các điện tử trong tiểu cùng thứ i của một hệ thống cấp N là :

, ,

Theo giả định rằng quá trình hấp thụ có thể được bỏ qua (có giá trị ở nhiệt độ thấp), phương trình cho tỷ lệ giữa

Vì vậy nếu τ 32> τ 21 (tức là 21 W> W 32) sau đó n 3> n 2 và sẽ tồn tại một sự đảo ngược phân

bố (population inversion).Tỷ lệ phân bố được định nghĩa là :

Nếu tỷ lệ ở tất cả N phương trình trạng thái ổn định được xác định, phương trình bên phải

bằng không, có nghĩa là hệ thống không xác định ( underdetermined) , và như vậy có nghĩa là chỉ có thể thấy một cách tương đối sự phân bố ở các tiểu vùng.Ta có thiết lập:

Hình ảnh hoạt động của QCLs:

5.Đặc điểm của Laser tầng lượng tử:

• Chuyển dịch nội vùng của electron bên trong một giếng lượng tử.

• Bước sóng phát ra không phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm mà phụ thuộc vào độ dày của các lớp thành phần.

• Cấu trúc bán dẫn - một chuỗi các giếng lượng tử và hàng rào Có thể gồm từ 80 đến 800 lớp riêng rẻ.

• Những electron thực hiện chuyển dịch trong giếng lượng tử, phát ra một photon.

• Với 80 giếng lượng tử mỗi electron phát ra 80 photon – hiệu suất cao

• Bước sóng 3 - 27 m (hồng ngoại) công suất lên đến 1W (hoạt động ở chế độ xung) tại nhiệt độ phòng.

6.So sánh giữa Laser thường (Convetional Laser) và Laser tầng lượng tử (QCLs):

• Một cặp electron – lỗ trống khi tái hợp sẽ phát ra một bức xạ

• Sự tham gia của electron và lỗ trống: thiết bị lưỡng cực

• Bước sóng được điều khiển bởi độ rộng vùng cấm của vật liệu

• Một electron có thể phát nhiều photon

• Bước sóng phụ thuộc vào độ rộng giếng lượng tử

• Năng lượng đầu ra phụ thuộc vào số tầng ghép

• Có thể đạt đến tần số mà không đạt được đối với laser thường

• Lí tưởng cho việc phát hiện, theo dõi ô nhiễm hóa học v.v

7.Ứng dụng của Laser tầng lượng tử:

 Phát xạ của xe hơi và máy bay

 Khí C y của hóa học khí quyển (trái đất và hệ sinh thái)

 Phát xạ khí núi lửa và dự đoán phun trào núi lửa

8.Tài liệu tham khảo:

[1]Faist, Jerome; Federico Capasso, Deborah L Sivco, Carlo Sirtori, Albert L Hutchinson, and

Alfred Y Cho (April 1994),Quantum Cascade Laser (abstract) Science 264 (5158): 553–556

Retrieved 2007-02-18

[2]Kazarinov, R.F; Suris, R.A (April 1971),Possibility of amplification of electromagnetic waves in

a semiconductor with a superlattice Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov 5 (4): 797–800.

[3]Normand, Erwan; Howieson, Iain; McCulloch, Michael T (April 2007),Quantum-cascade

[4]Howieson, Iain; Normand, Erwan; McCulloch, Michael T (2005-03-01),Quantum-cascade

lasers smell success Laser Focus World 41 (3): S3-+ ISSN 0740-2511 Retrieved 2008-01-25.