ليزر الشلال الكمومي

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 38 صور
الموسوعة الحرة

الليزر الكمومي المتتالي (QCLs) هي ليزرات أشباه الموصلات التي تنبعث في الجزء المتوسط ​​إلى البعيد من الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ، وقد تم عرضها لأول مرة بواسطة جيروم فايست ، وفيديريكو كاباسو ، وديبورا سيفكو، وكارلو سيرتوري، وألبرت هاتشينسون، وألفريد تشو في مختبرات بيل في عام 1994. [ 1 ]

على عكس ليزرات أشباه الموصلات النموذجية بين النطاقات التي تصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا من خلال إعادة تركيب أزواج الإلكترون-ثقب عبر فجوة نطاق المادة ، فإن ليزرات QCL أحادية القطب، ويتم تحقيق انبعاث الليزر من خلال استخدام انتقالات بين النطاقات الفرعية في مكدس متكرر من هياكل غير متجانسة متعددة الآبار الكمومية لأشباه الموصلات ، وهي فكرة تم اقتراحها لأول مرة في مقالة "إمكانية تضخيم الموجات الكهرومغناطيسية في شبه موصل ذي شبكة فائقة " بقلم ر. ف. كازارينوف ور . أ. سوريس في عام 1971. [ 2 ]  

الانتقالات بين النطاقات الفرعية مقابل الانتقالات بين النطاقات

تنبعث فوتون واحد عند الانتقال بين نطاقات الطاقة في ليزرات أشباه الموصلات التقليدية.

في بلورة أشباه الموصلات ، تشغل الإلكترونات مستويات طاقة في أحد نطاقي طاقة متصلين: نطاق التكافؤ ، الغني بالإلكترونات منخفضة الطاقة، ونطاق التوصيل ، الفقير بالإلكترونات عالية الطاقة. يفصل بين هذين النطاقين فجوة طاقة لا توجد فيها مستويات طاقة متاحة للإلكترونات. تُصدر ثنائيات الليزر التقليدية لأشباه الموصلات الضوء بانبعاث فوتون واحد عند إعادة اتحاد إلكترون عالي الطاقة في نطاق التوصيل مع فجوة في نطاق التكافؤ. لذا، تتحدد طاقة الفوتون، وبالتالي طول موجة انبعاث ثنائيات الليزر، بفجوة الطاقة في المادة المستخدمة.

مع ذلك، لا يستخدم ليزر QCL مواد أشباه موصلات ضخمة في منطقته النشطة بصريًا. بدلًا من ذلك، يتكون من سلسلة دورية من طبقات رقيقة ذات تركيبات مادية متفاوتة، تُشكل شبكة فائقة . تُحدث هذه الشبكة الفائقة جهدًا كهربائيًا متغيرًا على طول الجهاز، مما يؤدي إلى حصر دوال الموجة الإلكترونية مكانيًا في آبار كمومية على امتداد الجهاز. يُشار إلى هذا باسم الحصر متعدد الآبار الكمومية ، ويؤدي إلى انقسام نطاق الطاقات المسموحة إلى عدد من النطاقات الإلكترونية الفرعية المنفصلة. من خلال تصميم مناسب لسماكة الطبقات، يُمكن هندسة انعكاس التوزيع السكاني بين نطاقين فرعيين في النظام، وهو أمر ضروري لتحقيق انبعاث الليزر. ولأن موضع مستويات الطاقة في النظام يتحدد أساسًا بسماكة الطبقات وليس بنوع المادة، فمن الممكن ضبط طول موجة انبعاث ليزر QCL على نطاق واسع في نفس النظام المادي.

في هياكل الشلال الكمومي، تخضع الإلكترونات لانتقالات بين المستويات الفرعية ويتم انبعاث الفوتونات. تنتقل الإلكترونات عبر النفق الكمومي إلى الدورة التالية من الهيكل وتتكرر العملية.

بالإضافة إلى ذلك، في ثنائيات الليزر شبه الموصلة، تتلاشى الإلكترونات والفجوات بعد إعادة تركيبها عبر فجوة النطاق، ولا يمكنها المساهمة في توليد الفوتونات. أما في ليزر الكم أحادي القطب، فبمجرد أن يخضع الإلكترون لانتقال بين نطاقات فرعية ويطلق فوتونًا في دورة واحدة من الشبكة الفائقة، يمكنه الانتقال عبر النفق الكمومي إلى الدورة التالية من البنية حيث يمكن إطلاق فوتون آخر. هذه العملية، التي يتسبب فيها إلكترون واحد في انبعاث فوتونات متعددة أثناء مروره عبر بنية ليزر الكم، هي ما يُعرف بالتتالي، وتُتيح كفاءة كمية أكبر من الواحد، مما يؤدي إلى قدرات خرج أعلى من ثنائيات الليزر شبه الموصلة.

مبادئ التشغيل

معادلات المعدل

يتم تحديد مجموعات النطاقات الفرعية من خلال معدلات التشتت بين النطاقات الفرعية وتيار الحقن/الاستخراج.

تعتمد ليزرات QCL عادةً على نظام ثلاثي المستويات . [ 3 ] بافتراض أن تكوين الدوال الموجية عملية سريعة مقارنةً بالتشتت بين الحالات، يمكن تطبيق الحلول غير المعتمدة على الزمن لمعادلة شرودنغر، ويمكن نمذجة النظام باستخدام معادلات المعدل. يحتوي كل نطاق فرعي على عدد من الإلكترونات.نأنا{\displaystyle n_{i}}(أينأنا{\displaystyle i}(مؤشر النطاق الفرعي) الذي يتشتت بين المستويات مع عمر افتراضيτأناو{\displaystyle \tau _{if}}(مقلوب معدل التشتت بين النطاقات الفرعية المتوسط)دبليوأناو{\displaystyle W_{if}})، أينأنا{\displaystyle i}وو{\displaystyle f}يمثلان مؤشري النطاق الفرعي الابتدائي والنهائي. بافتراض عدم وجود نطاقات فرعية أخرى مشغولة، فإن معادلات المعدل لأشعة الليزر ثلاثية المستويات تُعطى كما يلي:

دن3دت=أناأنان+ن1τ13+ن2τ23-ن3τ31-ن3τ32{\displaystyle {\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 {ن_{3}}{\تاو _{32}}}}
دن2دت=ن3τ32+ن1τ12-ن2τ21-ن2τ23{\displaystyle {\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}}}}
دن1دت=ن2τ21+ن3τ31-ن1τ13-ن1τ12-أناouت{\displaystyle {\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} }}

في حالة الاستقرار ، تكون المشتقات الزمنية مساوية للصفر وأناأنان=أناouت=أنا{\displaystyle I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I}وبالتالي ، فإن معادلة المعدل العامة للإلكترونات في النطاق الفرعي i لنظام ذي N مستوى هي:

دنأنادت=∑ج=1شمالنجτجأنا-نأنا∑ج=1شمال1τأناج+أنا(دلتاأناشمال-دلتاأنا1)// _ {iN} -\delta _ {i1})}،

بافتراض إمكانية تجاهل عمليات الامتصاص، (أين1τ12=ن2τ23=0{\displaystyle {\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0}(صالحة عند درجات الحرارة المنخفضة) تعطي معادلة المعدل المتوسط

ن3τ32=ن2τ21{\displaystyle {\frac {n_{3}}{\tau _{32}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{21}}}}

لذلك، إذاτ32>τ21{\displaystyle \tau _{32}>\tau _{21}}(أيدبليو21>دبليو32{\displaystyle W_{21}>W_{32}}) ثمن3>ن2{\displaystyle n_{3}>n_{2}}وسيحدث انعكاس في توزيع السكان. وتُعرَّف نسبة السكان على النحو التالي:

ن3ن2=τ32τ21=دبليو21دبليو32{\displaystyle {\frac {n_{3}}{n_{2}}}={\frac {\tau _{32}}{\tau _{21}}}={\frac {W_{21}}{W_{32}}}}

إذا جُمعت جميع معادلات معدل الحالة المستقرة N ، يصبح الطرف الأيمن صفرًا، مما يعني أن النظام غير محدد ، ولا يمكن إيجاد سوى التوزيع النسبي للحاملات في كل نطاق فرعي. إذا كانت الكثافة السطحية الكلية للحاملاتشمال2د{\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}إذا كان عدد حاملات الشحنة في النظام معروفًا أيضًا، فيمكن تحديد العدد المطلق لحاملات الشحنة في كل نطاق فرعي باستخدام:

∑أنا=1شمالنأنا=شمال2د{\displaystyle \sum \limits _{i=1}^{N}n_{i}=N_{\mathrm {2D} }}.

كتقريب، يمكن افتراض أن جميع حاملات الشحنة في النظام يتم توفيرها عن طريق التطعيم . إذا كانت طاقة تأين نوع التطعيم ضئيلة، فإنشمال2د{\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}يساوي تقريبًا كثافة التطعيم.

تتكرر دوال الموجة الإلكترونية في كل دورة من المنطقة النشطة لليزر الكمومي ذي الآبار الكمومية الثلاثة. ويُظهر الخط الغامق مستوى الليزر العلوي.

تصميمات المنطقة النشطة

تُضبط معدلات التشتت من خلال تصميم مناسب لسماكة الطبقات في الشبكة الفائقة، والتي تحدد بدورها الدوال الموجية الإلكترونية للنطاقات الفرعية. ويعتمد معدل التشتت بين نطاقين فرعيين اعتمادًا كبيرًا على تداخل الدوال الموجية والتباعد الطاقي بينهما. يوضح الشكل الدوال الموجية في المنطقة النشطة والحاقن لليزر الكمومي ذي الآبار الكمومية الثلاثة (3QW).

من أجل تقليلدبليو32{\displaystyle W_{32}}عند هذه الطريقة، يقل تداخل مستويي الليزر العلوي والسفلي. ويتحقق ذلك غالبًا من خلال تصميم سماكة الطبقات بحيث يتركز مستوى الليزر العلوي في الغالب في البئر الأيسر للمنطقة النشطة ثلاثية الآبار الكمومية، بينما تتركز دالة موجة مستوى الليزر السفلي في الغالب في البئرين المركزي والأيمن. يُعرف هذا بالانتقال القطري . أما الانتقال الرأسي، فهو الذي يتركز فيه مستوى الليزر العلوي بشكل رئيسي في البئرين المركزي والأيمن. وهذا يزيد من التداخل، وبالتاليدبليو32{\displaystyle W_{32}}مما يقلل من انعكاس السكان، ولكنه يزيد من قوة الانتقال الإشعاعي وبالتالي المكسب .

من أجل زيادةدبليو21{\displaystyle W_{21}}تم تصميم وظائف الموجة لمستوى الليزر السفلي ومستوى الأرض بحيث يكون بينهما تداخل جيد ولزيادةدبليو21{\displaystyle W_{21}}علاوة على ذلك، تم تصميم تباعد الطاقة بين النطاقات الفرعية بحيث يكون مساوياً لطاقة الفونون البصري الطولي (LO) (~36 مللي إلكترون فولت في GaAs) بحيث يمكن لتشتت الفونون-الإلكترون الرنيني LO أن يؤدي إلى إزالة مستوى الليزر السفلي بسرعة.

أنظمة المواد

صُنعت أول ليزر كاسكيد كمومي (QCL) باستخدام نظام مواد GaInAs / AlInAs المتوافق شبكيًا مع ركيزة InP . [ 1 ] يتميز هذا النظام المادي تحديدًا بانزياح نطاق التوصيل (عمق البئر الكمومي) بمقدار 520 ملي إلكترون فولت . وقد حققت هذه الأجهزة القائمة على InP مستويات أداء عالية جدًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، حيث حققت قدرة عالية وانبعاثًا مستمرًا للموجات فوق درجة حرارة الغرفة . [ 4 ]

في عام ١٩٩٨، قام سيرتوري وزملاؤه بعرض ليزرات QCL المصنوعة من GaAs / AlGaAs ، مُثبتين بذلك أن مفهوم QC لا يقتصر على نظام مادي واحد. [ ٥ ] يتميز هذا النظام المادي بعمق بئر كمي متغير تبعًا لنسبة الألومنيوم في الحواجز. على الرغم من أن ليزرات QCL المصنوعة من GaAs لم تصل إلى مستويات أداء ليزرات QCL المصنوعة من InP في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، إلا أنها أثبتت نجاحًا كبيرًا في نطاق التيراهيرتز من الطيف. [ ٦ ]

يُحدد عمق البئر الكمومي الحد الأدنى للطول الموجي القصير لليزر الكمومي الليزري (QCL)، وقد طُوّرت هذه الليزرات مؤخرًا في أنظمة مواد ذات آبار كمومية عميقة جدًا لتحقيق انبعاث ضوئي بأطوال موجية قصيرة. يتميز نظام InGaAs/AlAsSb بآبار كمومية بعمق 1.6 إلكترون فولت، وقد استُخدم في تصنيع ليزرات QCL تُصدر ضوءًا بطول موجي 3.05 ميكرومتر. [ 7 ] أما ليزرات InAs/AlSb QCL، فتتميز بآبار كمومية بعمق 2.1 إلكترون فولت، وقد لُوحظ فيها انبعاث ضوئي كهربائي بأطوال موجية قصيرة تصل إلى 2.5 ميكرومتر. [ 8 ]

يُعدّ زوج InAs/AlSb أحدث عائلة مواد ليزر الكم (QCL) مقارنةً بالسبائك المُنمّاة على ركائز InP وGaAs. وتتمثل الميزة الرئيسية لنظام InAs/AlSb في صغر الكتلة الإلكترونية الفعّالة في الآبار الكمومية، مما يُحسّن كسب النطاقات الفرعية. [ 9 ] ويمكن استغلال هذه الميزة بشكل أفضل في ليزرات الكم ذات الأطوال الموجية الطويلة، حيث تكون مستويات انتقال الليزر قريبة من قاع نطاق التوصيل، ويكون تأثير عدم التكافؤ ضعيفًا. وقد أثبتت ليزرات الكم القائمة على InAs قدرتها على العمل بموجة مستمرة عند درجة حرارة الغرفة (RT) بأطوال موجية تصل إلى17.7 μم{\displaystyle 17.7~\mu m}بكثافة تيار عتبة نبضيةجتح{\displaystyle J_{th}}بأسعار منخفضة تصل إلى1 كأ/جم2{\displaystyle 1~kA/cm^{2}}[ 10 ] قيم منخفضة لـجتح{\displaystyle J_{th}}وقد تم تحقيق ذلك أيضاً في ليزرات QCL القائمة على InAs والتي تبعث في مناطق طيفية أخرى:0.715 كأ/جم2{\displaystyle 0.715~kA/cm^{2}}في15 μم{\displaystyle 15~\mu m}, [ 11 ]0.99 كأ/جم2{\displaystyle 0.99~kA/cm^{2}}في11 μم{\displaystyle 11~\mu m}[ 12 ] و0.75 كأ/جم2{\displaystyle 0.75~kA/cm^{2}}في7.7 μم{\displaystyle 7.7~\mu m}[ 13 ] (ليزر الكمّ المُنمّى على إنديوم أرسينيد). في الآونة الأخيرة، تم تشغيل ليزرات الكمّ القائمة على إنديوم أرسينيد بالقرب من14 μم{\displaystyle 14~\mu m}معجتح{\displaystyle J_{th}} بأسعار منخفضة تصل إلى0.6 كأ/جم2{\displaystyle 0.6~kA/cm^{2}}تم إثبات ذلك عند درجة حرارة الغرفة. العتبة التي تم الحصول عليها أقل منجتح{\displaystyle J_{th}}من أفضل أجهزة QCL القائمة على InP التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن بدون معالجة المفصل. [ 14 ]

قد تسمح ليزرات الكموم الكاثودية (QCLs) أيضًا بتشغيل الليزر في مواد تُعتبر تقليديًا ذات خصائص انبعاث ضوئي ضعيفة. تتميز مواد فجوة النطاق غير المباشرة ، مثل السيليكون، بوجود طاقات دنيا للإلكترونات والفجوات عند قيم زخم مختلفة . في الانتقالات الضوئية بين النطاقات، يتغير زخم حاملات الشحنة من خلال عملية تشتت بطيئة ومتوسطة، مما يقلل بشكل كبير من شدة الانبعاث الضوئي. مع ذلك، فإن الانتقالات الضوئية بين النطاقات الفرعية مستقلة عن الزخم النسبي للحد الأدنى لنطاق التوصيل ونطاق التكافؤ، وقد طُرحت مقترحات نظرية لبواعث شلال الكم من السيليكون / سيليكون-جرمانيوم . [ 15 ] لوحظ انبعاث كهربائي بين النطاقات الفرعية من هياكل غير قطبية من السيليكون-جرمانيوم لأطوال موجية متوسطة وبعيدة من الأشعة تحت الحمراء، أولًا في نطاق التكافؤ. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] يمكن تحقيق كسب أعلى باستخدام الإجهاد لدفع حالات الفجوات الخفيفة الطفيلية فوق انتقالات الفجوات الثقيلة إلى الفجوات الثقيلة. [ 19 ] تم الآن إثبات تصميمات نطاق التوصيل [ 20 ] بكسب أعلى من جميع تصميمات نطاق التكافؤ بسبب إزالة العديد من القنوات الطفيلية التي تقلل الكسب في تصميمات نطاق التكافؤ.

أطوال موجات الانبعاث

تغطي ليزرات QCL حاليًا نطاق الطول الموجي من 2.63 ميكرومتر [ 21 ] إلى 250 ميكرومتر [ 22 ] (ويمتد إلى 355 ميكرومتر مع تطبيق مجال مغناطيسي ) .

الموجهات الضوئية

منظر جانبي لسطح البلورة الكمومية مع دليل موجي ذي حافة. ​​الرمادي الداكن: فوسفيد الإنديوم، الرمادي الفاتح: طبقات البلورة الكمومية، الأسود: مادة عازلة، الذهبي: طلاء الذهب. عرض الحافة حوالي ١٠ ميكرومتر.
منظر جانبي لسطح البلورة الكمومية مع دليل موجي ذي بنية غير متجانسة مدفونة. الرمادي الداكن: فوسفيد الإنديوم، الرمادي الفاتح: طبقات البلورة الكمومية، الأسود: مادة عازلة. عرض البنية غير المتجانسة حوالي ١٠ ميكرومتر.

تتمثل الخطوة الأولى في معالجة مادة التضخيم الكمومي المتتالي لصنع جهاز باعث للضوء مفيد في حصر وسط التضخيم في دليل موجي بصري . وهذا يُمكّن من توجيه الضوء المنبعث إلى حزمة متوازية ، ويسمح ببناء رنان ليزري بحيث يمكن إعادة ربط الضوء بوسط التضخيم.

يُستخدم نوعان شائعان من الموجهات الضوئية. يُصنع الموجه ذو الحافة عن طريق حفر أخاديد متوازية في مادة كسب الشلال الكمومي، مما يُنتج شريطًا معزولًا من هذه المادة، يبلغ  عرضه عادةً حوالي 10 ميكرومترات وطوله عدة ملليمترات. تُرسّب مادة عازلة في الأخاديد لتوجيه التيار المحقون إلى الحافة، ثم تُغطى الحافة بالكامل بالذهب لتوفير التوصيل الكهربائي والمساعدة في تبديد الحرارة منها عند إنتاج الضوء. ينبعث الضوء من نهايتي الموجه المشقوقتين، بمساحة فعالة لا تتجاوز بضعة ميكرومترات.

النوع الثاني من الموجهات الموجية هو البنية غير المتجانسة المدفونة . في هذه الحالة، تُحفر مادة البلورة الكمومية لتكوين نتوء معزول. ثم تُنمى مادة شبه موصلة جديدة فوق هذا النتوء. يكفي التغير في معامل الانكسار بين مادة البلورة الكمومية والمادة المتنامية فوقها لتكوين موجه موجي. كما تُرسب مادة عازلة على المادة المتنامية حول نتوء البلورة الكمومية لتوجيه التيار المحقون إلى وسط التضخيم. تتميز الموجهات الموجية ذات البنية غير المتجانسة المدفونة بكفاءتها في تبديد الحرارة من منطقة البلورة الكمومية النشطة أثناء إنتاج الضوء.

أنواع الليزر

على الرغم من أنه يمكن استخدام وسط كسب الشلال الكمومي لإنتاج ضوء غير متماسك في تكوين فائق الإضاءة، [ 23 ] إلا أنه يستخدم في الغالب بالاشتراك مع تجويف بصري لتشكيل ليزر.

ليزر فابري-بيرو

هذا هو أبسط أنواع ليزرات الشلال الكمومي. يُصنع أولًا دليل موجي بصري من مادة الشلال الكمومي لتشكيل وسط التضخيم. ثم تُشق أطراف جهاز أشباه الموصلات البلورية لتشكيل مرآتين متوازيتين على طرفي الدليل الموجي، مما يُشكل رنان فابري-بيرو . الانعكاسية المتبقية على الأسطح المشقوقة من واجهة شبه الموصل مع الهواء كافية لإنشاء الرنان. ليزرات الشلال الكمومي من نوع فابري-بيرو قادرة على إنتاج طاقات عالية، [ 24 ] ولكنها عادةً ما تكون متعددة الأنماط عند تيارات التشغيل العالية. يمكن تغيير الطول الموجي بشكل أساسي عن طريق تغيير درجة حرارة جهاز الشلال الكمومي.

ليزرات التغذية الراجعة الموزعة

يُشبه ليزر الشلال الكمومي ذو التغذية المرتدة الموزعة (DFB) [25] ليزر فابري-بيرو، باستثناء وجود عاكس براغ الموزع ( DBR ) المُثبّت أعلى الدليل الموجي لمنع انبعاثه عند أطوال موجية غير المطلوبة. هذا يُجبر الليزر على العمل بنمط أحادي، حتى عند تيارات تشغيل عالية. يُمكن ضبط ليزرات DFB بشكل أساسي عن طريق تغيير درجة الحرارة، مع إمكانية الحصول على طريقة ضبط مثيرة للاهتمام عن طريق نبض ليزر DFB. في هذا النمط، يتغير طول موجة الليزر بسرعة أثناء النبضة، مما يسمح بمسح سريع لمنطقة طيفية. [ 26 ]

ليزر التجويف الخارجي

رسم تخطيطي لجهاز QC في تجويف خارجي مع تغذية بصرية انتقائية التردد يتم توفيرها بواسطة محزز حيود في تكوين ليترو.

في ليزر الشلال الكمومي ذي التجويف الخارجي، يعمل جهاز الشلال الكمومي كوسط تضخيم لليزر. يحتوي أحد وجهي الدليل الموجي، أو كلاهما، على طبقة مضادة للانعكاس تُبطل عمل التجويف البصري للوجهين المشقوقين. ثم تُرتّب المرايا في تكوين خارجي لجهاز الشلال الكمومي لإنشاء التجويف البصري.

إذا تم تضمين عنصر انتقائي التردد في التجويف الخارجي، فمن الممكن تقليل انبعاث الليزر إلى طول موجي واحد، بل وحتى ضبط الإشعاع. على سبيل المثال، استُخدمت محززات الحيود لإنشاء [ 27 ] ليزر قابل للضبط يمكنه ضبط أكثر من 15% من طوله الموجي المركزي.

أجهزة ضبط موسعة

توجد عدة طرق لتوسيع نطاق ضبط ليزرات الشلال الكمومي باستخدام عناصر متكاملة أحادية البنية فقط. يمكن للمسخنات المتكاملة توسيع نطاق الضبط عند درجة حرارة تشغيل ثابتة إلى 0.7% من الطول الموجي المركزي [ 28 ] ، ويمكن لشبكات البنية الفوقية التي تعمل من خلال تأثير فيرنييه توسيعه إلى 4% من الطول الموجي المركزي [ 29 ] ، مقارنةً بأقل من 0.1% لجهاز DFB قياسي.

نمو

يمكن تنمية الطبقات المتناوبة من أشباه الموصلات المختلفة التي تشكل البنية غير المتجانسة الكمومية على ركيزة باستخدام مجموعة متنوعة من الطرق مثل الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) أو الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOVPE)، والمعروف أيضًا باسم الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD).

التطبيقات

تم تسويق ليزرات فابري-بيرو (FP) الكمومية المتتالية لأول مرة عام 1998، [ 30 ] وأجهزة التغذية الراجعة الموزعة (DFB) لأول مرة عام 2004، [ 31 ] وليزر التجويف الخارجي الكمومي المتتالي القابل للضبط على نطاق واسع لأول مرة عام 2006. [ 32 ] إن قدرة الخرج الضوئي العالية، ونطاق الضبط الواسع، والتشغيل في درجة حرارة الغرفة تجعل ليزرات QCL مفيدة للتطبيقات الطيفية مثل الاستشعار عن بعد للغازات البيئية والملوثات في الغلاف الجوي [ 33 ] والأمن. وقد تُستخدم في المستقبل للتحكم في سرعة المركبات في ظروف الرؤية الضعيفة ، ورادارات تجنب الاصطدام ، والتحكم في العمليات الصناعية، والتشخيص الطبي مثل أجهزة تحليل التنفس. [ 34 ] كما تُستخدم ليزرات QCL لدراسة كيمياء البلازما. [ 35 ]

عند استخدامها في أنظمة الليزر المتعددة، توفر مطيافية ليزر الكم داخل النبضة تغطية طيفية واسعة النطاق يمكن استخدامها لتحديد وقياس كمية الجزيئات الثقيلة المعقدة مثل تلك الموجودة في المواد الكيميائية السامة والمتفجرات والأدوية. [ 36 ]

تُستخدم ليزرات QCL في نطاق ترددات تيراهيرتز. وهي تُستخدم بنشاط في التصوير الطوري الحسابي، لاستعادة كل من خصائص السعة والطور للأجسام الشفافة. [ 37 ]

مراجع

  1. 1 2 فايست، جيروم؛ فيديريكو كاباسو؛ ديبورا ل. سيفكو؛ كارلو سيرتوري؛ ألبرت ل. هاتشينسون؛ ألفريد واي تشو (أبريل 1994). “الليزر الكمي المتتالي”. علوم . 264 (5158): 553–556 . بيب كود : 1994Sci...264..553F . دوى : 10.1126/science.264.5158.553 . بميد 17732739 . S2CID 220111282 .  
  2. ↑ كازارينوف، ر.ف.؛ سوريس، ر.أ. (أبريل 1971). "إمكانية تضخيم الموجات الكهرومغناطيسية في أشباه الموصلات ذات البنية الفائقة". فيزياء وتقنية أشباه الموصلات . 5 (4): 797-800 .
  3. ↑ بيرسال، توماس (2020). الفوتونيات الكمومية، الطبعة الثانية . نصوص الدراسات العليا في الفيزياء. سبرينغر. doi : 10.1007/978-3-030-47325-9 . ISBN 978-3-030-47324-2. S2CID 240934073 . 
  4. ↑ رازغي، مانيجه (2009). "ليزر كاسكيد الكم عالي الأداء في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة القائم على InP". مجلة IEEE للمواضيع المختارة في الإلكترونيات الكمية . 15 (3): 941-951 . Bibcode : 2009IJSTQ..15..941R . doi : 10.1109/JSTQE.2008.2006764 . S2CID 37864645 . 
  5. ↑ سيرتوري وآخرون (1998). " ليزر الشلال الكمي GaAs/Al x Ga 1−x As". مجلة الفيزياء التطبيقية ، 73 (24): 3486. Bibcode : 1998ApPhL..73.3486S . doi : 10.1063/1.122812 . 
  6. ↑ ويليامز، بنجامين س. (2007). "ليزر الشلال الكمومي تيراهيرتز" (ملف PDF) . مجلة نيتشر فوتونيكس . 1 (9): 517-525 . Bibcode : 2007NaPho...1..517W . doi : 10.1038/nphoton.2007.166 . hdl : 1721.1/17012 . ISSN 1749-4885 . S2CID 29073195 .  
  7. ↑ ريفين، دي جي؛ كوكبيرن، جيه دبليو؛ ستير، إم جيه؛ آيري، آر جيه؛ هوبكنسون، إم؛ كريسا، إيه بي؛ ويلسون، إل آر؛ مينزل، إس. (2007-01-08). "ليزر شلال الكم InGaAs/AlAsSb/InP يعمل بأطوال موجية قريبة من 3 ميكرومتر". رسائل الفيزياء التطبيقية . 90 (2): 021108. Bibcode : 2007ApPhL..90b1108R . doi : 10.1063/1.2431035 . ISSN 0003-6951 . 
  8. ↑ بارات، د.؛ تيسييه، ر.؛ وانغ، ي.؛ بارانوف، أ.ن. (2005). "انبعاث الموجات القصيرة بين النطاقات الفرعية من هياكل الشلال الكمومي InAs/AlSb". رسائل الفيزياء التطبيقية . 87 (5): 051103. Bibcode : 2005ApPhL..87e1103B . doi : 10.1063/1.2007854 . ISSN 0003-6951 . S2CID 40872029 .  
  9. ↑ بارانوف، أليكسي ن.؛ تيسييه، رولاند (2015). "ليزر الشلال الكمومي في نظام مادة InAs/AlSb". مجلة IEEE للمواضيع المختارة في الإلكترونيات الكمومية . 21 (6): 85-96 . Bibcode : 2015IJSTQ..21...85B . doi : 10.1109/JSTQE.2015.2426412 . ISSN 1077-260X . S2CID 46218942 .  
  10. ↑ نغوين فان، هوانغ؛ لوغماري، زينب؛ فيليب، هادريان؛ بهريز، مايكل؛ بارانوف، أليكسي ن.؛ تيسييه، رولاند (2019). "ليزر شلال الكم ذو التغذية الراجعة الموزعة طويل الموجة (λ > 17 ميكرومتر) يعمل بموجة مستمرة عند درجة حرارة الغرفة" . فوتونيات . 6 (1): 31. Bibcode : 2019Photo...6...31N . doi : 10.3390/photonics6010031 . ISSN 2304-6732 . 
  11. ↑ بارانوف، أليكسي ن.؛ بهريز، مايكل؛ تيسييه، رولاند (2016-08-08). "تشغيل ليزرات الشلال الكمومي القائمة على إنديوم أرسينيد عند درجة حرارة الغرفة بموجة مستمرة بطول موجي 15 ميكرومتر" . مجلة أوبتكس إكسبرس . 24 (16): 18799-19506 . رمز Bibcode : 2016OExpr..2418799B . doi : 10.1364/OE.24.018799 . ISSN 1094-4087 . PMID 27505843 .  
  12. ↑ لغماري، ز. بهريز، م.؛ توماس، د. دياز؛ ميجيكام، أ.؛ فان، ه. نجوين؛ تيسييه، ر.؛ بارانوف، أن (2018). "تشغيل موجة مستمرة في درجة حرارة الغرفة لليزر المتتالي الكمي المعتمد على InAs / AlSb عند 11 ∼ 11 ميكرومتر" . رسائل الالكترونيات . 54 (17): 1045–1047 . بيب كود : 2018ElL ....54.1045L . دوى : 10.1049/el.2018.5258 . ISSN 0013-5194 . S2CID 126174361 .  
  13. ↑ لغماري، ز. رودريجيز، J.-B؛ بارانوف، آن؛ ريو كالفو، م.؛ سيروتي، L.؛ ميجيكام، أ.؛ بهريز، م.؛ تيسييه، ر.؛ تورنييه ، إي. (2020-04-01). "أشعة الليزر المتتالية القائمة على InAs المزروعة على ركيزة السيليكون على المحور (001)" . APL الضوئيات . 5 (4): 041302. بيب كود : 2020APLP....5d1302L . دوى : 10.1063/5.0002376 . S2CID 218844666 . 
  14. ↑ كينجالك، كومار؛ دياز-توماس، دانيال أندريس؛ لوغماري، زينب؛ بهريز، مايكل؛ تيسييه، رولاند؛ بارانوف، أليكسي ن. (2022). "ليزر الشلال الكمومي القائم على InAs ذو العتبة المنخفضة للغاية" . فوتونيات . 9 (10): 747. Bibcode : 2022Photo...9..747K . doi : 10.3390/photonics9100747 . ISSN 2304-6732 . 
  15. ↑ بول، دوغلاس ج. (2004). "الهياكل غير المتجانسة من السيليكون/السيليكون-الجرمانيوم: من المواد والفيزياء إلى الأجهزة والدوائر" (ملخص) . مجلة علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات ، 19 (10): R75– R108. رمز Bibcode : 2004SeScT..19R..75P . doi : 10.1088/0268-1242/19/10/R02 . S2CID 250846255. تاريخ الاسترجاع: 18 فبراير 2007 . 
  16. ↑ ديلينجر، ج.؛ ديهل، ل.؛ جينسر، يو.؛ سيج، هـ.؛ فايست، ج.؛ إنسلين، ك.؛ غروتزماخر، د.؛ مولر، إي. (22-12-2000). "التألق الكهربائي بين النطاقات الفرعية من هياكل الشلال الكمومي القائمة على السيليكون" . مجلة ساينس . 290 (5500): 2277-2280 . doi : 10.1126/science.290.5500.2277 . PMID 11125134 . 
  17. ↑ لينش، إس. أ.؛ بيتس، ر.؛ بول، د. ج.؛ نوريس، د. ج.؛ كوليس، أ. ج.؛ إيكونيك، ز.؛ كيلسال، ر. و.؛ هاريسون، ب.؛ أرنون، د. د.؛ بيدجون، س. ر. (26-08-2002). "التألق الكهربائي بين النطاقات الفرعية من باعثات متتالية من السيليكون/الجرمانيوم عند ترددات تيراهيرتز" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 81 (9): 1543-1545 . رمز Bibcode : 2002ApPhL..81.1543L . doi : 10.1063/1.1501759 . ISSN 0003-6951 . 
  18. ↑ بول، دي جيه (2010). "التقدم نحو ليزرات الكاسكيد الكمومية تيراهيرتز على ركائز السيليكون" . مراجعات الليزر والفوتونيات . 4 (5): 610-632 . Bibcode : 2010LPRv....4..610P . doi : 10.1002/lpor.200910038 . ISSN 1863-8899 . S2CID 120927848 .  
  19. ^ متمون، ج. بول، دي جي؛ رافعة، L.؛ أيكونيك، ز.؛ كيلسال، آر دبليو؛ تشانغ، J.؛ كراستينا، د.؛ إيزيلا، ج.؛ فون كانيل، هـ؛ مولر، E.؛ نيلز، أ. (2010-03-08). "تصميمات الشبكة الفائقة المتتالية Si/SiGe لانبعاث تيراهيرتز" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 107 (5): 053109–053109–7. بيب كود : 2010JAP...107e3109M . دوى : 10.1063/1.3319653 . اتش دي ال : 11311/581930 . ISSN 0021-8979 . 
  20. ^ ستارك ، ديفيد. ميرزا، محمد؛ بيرسيكيتي، لوكا؛ مونتاناري، ميشيل؛ ماركمان، سيرجي. بيك ماتياس. جرانج، توماس. بيرنر، ستيفان. فيرجيليو ميشيل. تشيانو، كيارا؛ أورتولاني ، ميشيل (2021-03-08). "التألق الكهربي بين النطاقات الترددية من النوع n Ge/SiGe من الهياكل المتتالية الكمومية" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 118 (10): 101101. أرخايف : 2101.05518 . بيب كود : 2021ApPhL.118j1101S . دوى : 10.1063/5.0041327 . ISSN 0003-6951 . S2CID 231602947 .  
  21. ↑ كاثابارد، أو.؛ ​​تيسييه، ر.؛ ديفنسون، ج.؛ مورينو، ج.س.؛ بارانوف، أ.ن. (2010). "ليزر الشلال الكمومي الذي ينبعث منه ضوء بالقرب من 2.6 ميكرومتر". رسائل الفيزياء التطبيقية . 96 (14): 141110. رمز Bibcode : 2010ApPhL..96n1110C . doi : 10.1063/1.3385778 .
  22. ↑ والثر، سي.؛ فيشر، إم.؛ سكالاري، جي.؛ تيرازي، آر.؛ هويلر، إن.؛ فايست، جيه. (2007). "ليزر الشلال الكمومي العامل من 1.2 إلى 1.6 تيراهيرتز". رسائل الفيزياء التطبيقية . 91 (13): 131122. Bibcode : 2007ApPhL..91m1122W . doi : 10.1063/1.2793177 .
  23. ↑ زيبك، إي. أ.؛ نغ، و. هـ.؛ ريفين، د. ج.؛ ويلسون، ل. ر.؛ كوكبيرن، ج. و.؛ غروم، ك. م.؛ هوبكنسون، م. (مارس 2006). "ثنائيات باعثة للضوء فائقة الإضاءة ذات نطاق ترددي 6 ميكرومتر < λ < 8 ميكرومتر". مجلة الفيزياء التطبيقية ، 88 (12): 121109. رمز Bibcode : 2006ApPhL..88l1109Z . doi : 10.1063/1.2188371 .
  24. ↑ سليفكن، س.؛ أ. إيفانز؛ ج. ديفيد؛ م. رازغي (ديسمبر 2002). "ليزر الشلال الكمومي عالي القدرة المتوسطة، عالي دورة التشغيل (λ ~ 6 ميكرومتر)". رسائل الفيزياء التطبيقية . 81 (23): 4321-4323 . Bibcode : 2002ApPhL..81.4321S . doi : 10.1063/1.1526462 .
  25. ^ فايست ، جيروم. كلير جماتشل؛ فريدريكو كاباسو؛ كارلو سيرتوري؛ ديبورا ل. سيلفكو؛ جيمس ن. بيلارجون؛ ألفريد واي تشو (مايو 1997). “الليزر المتتالي الكمي الموزع”. رسائل الفيزياء التطبيقية . 70 (20): 2670. بيب كود : 1997ApPhL..70.2670F . دوى : 10.1063/1.119208 .
  26. ↑ "أشعة الليزر الكمومية المتتالية تبشر بالنجاح" . مجلة ليزر فوكس وورلد . منشورات بنويل. 1 مارس 2005. تاريخ الاطلاع: 26 مارس 2008 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  27. ↑ موليني، ريتشارد؛ ماتياس بيك؛ جيروم فايست؛ إميليو جيني (مارس 2004). "ضبط النطاق الترددي الواسع لأشعة الليزر الكمومية المتتالية ذات التجويف الخارجي المرتبط بنطاق متصل". رسائل الفيزياء التطبيقية . 84 (10): 1659. Bibcode : 2004ApPhL..84.1659M . doi : 10.1063/1.1667609 .
  28. ↑ بيسموتو، ألفريدو؛ بيدو، إيف؛ تاردي، كاميل؛ تيرازي، رومان؛ جريش، توبياس؛ وولف، جوانا؛ بلاسر، ستيفان؛ مولر، أنطوان؛ فايست، جيروم (2015). "ضبط موسع لأشعة الليزر الكمومية المتتالية في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة باستخدام سخانات مقاومة متكاملة" . مجلة أوبتكس إكسبرس . 23 (23): 29715-29722 . رمز Bibcode : 2015OExpr..2329715B . doi : 10.1364/OE.23.029715 . PMID: 26698453 . 
  29. ↑ بيدو، إيف؛ بيسموتو، ألفريدو؛ تاردي، كاميل؛ تيرازي، رومان؛ جريش، توبياس؛ بلازر، ستيفان؛ مولر، أنطوان؛ فايست، جيروم (4 نوفمبر 2015). "ضبط ممتد وشبه مستمر لأشعة الليزر المتتالية الكمومية باستخدام محززات البنية الفوقية وسخانات متكاملة". رسائل الفيزياء التطبيقية . 107 (22): 221108. Bibcode : 2015ApPhL.107v1108B . doi : 10.1063/1.4936931 .
  30. ^ "ملحق تسجيل التجارة" . سجل التجارة . تم الاسترجاع 2016/04/28 .
  31. ↑ «تقدم شركة Alpes ليزرات الشلال الكمومي ذات الموجة المستمرة والنبضية» . مجلة Laser Focus World . منشورات PennWell. ١٩ أبريل ٢٠٠٤. تاريخ الاطلاع: ١ ديسمبر ٢٠٠٧ .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  32. ↑ "ليزر QC قابل للضبط يفتح آفاقًا جديدة لتطبيقات الاستشعار في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة" . مجلة Laser Focus World . منشورات PennWell. 1 يوليو 2006. تاريخ الاطلاع: 26 مارس 2008 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  33. ↑ نورماند، إروان؛ هاويسون، إيان؛ ماكولوتش، مايكل ت. (أبريل 2007). "ليزر الشلال الكمومي يُمكّن تقنية استشعار الغاز" . مجلة ليزر فوكس وورلد . 43 (4): 90-92 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 1043-8092 . تاريخ الاسترجاع: 25 يناير 2008 . {{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  34. ↑ هانيمان، م.؛ أنتوفجيف، أ.؛ بورغمان، ك.؛ هيمبل، ف.؛ إيترمان، ت.؛ ويلزل، س.؛ فيلتمان، ك.د.؛ فولزكه، هـ.؛ روبكه، ي. (2011). "تأثير العمر والجنس على عينات هواء الزفير المدروسة باستخدام مطيافية امتصاص الليزر بالأشعة تحت الحمراء". مجلة أبحاث التنفس . 5 (27101) (نُشر في 1 أبريل 2011): 9. Bibcode : 2011JBR.....5b7101H . doi : 10.1088 / 1752-7155/5/2/027101 . PMID 21460420. S2CID 23963086 .  
  35. ↑ لانغ، ن.؛ روبكه، ج.؛ فيغي، س.؛ شتايناخ، أ. (2009). "التشخيص الموضعي لبلازما الحفر للتحكم في العملية باستخدام مطيافية امتصاص ليزر الشلال الكمومي". المجلة الأوروبية للفيزياء التطبيقية . 49 (13110) (نُشر في 11 ديسمبر 2009): 3. Bibcode : 2010EPJAP..49a3110L . doi : 10.1051/epjap/2009198 .
  36. ↑ هاويسون، إيان؛ نورماند، إروان؛ ماكولوتش، مايكل ت. (1 مارس 2005). "ليزر الشلال الكمومي يبشر بالنجاح" . مجلة ليزر فوكس وورلد . 41 (3): S3–+. الرقم الدولي الموحد للدوريات 0740-2511 . تاريخ الاسترجاع: 25 يناير 2008 . {{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  37. ↑ شوبارد، أدريان؛ تسيبلاكوفا، إليزافيتا؛ بالبكين، نيكولاي؛ سموليانسكايا، أولغا؛ بيرو، جان باتيست؛ غييه، جان بول؛ بيتروف، نيكولاي ف.؛ مونيه، باتريك (مارس 2022). "استرجاع الطور متعدد المستويات بمسح واحد باستخدام إشعاع ليزر شلال الكم تيراهيرتز" . الفيزياء التطبيقية ب . 128 (3): 63. Bibcode : 2022ApPhB.128...63C . doi : 10.1007/s00340-022-07787-x . ISSN 0946-2171 .