Lasery kaskadowe

W ITE opracowano technologię produkcji i zbudowano prototypy kwantowych laserów kaskadowych (Quantum Cascade Lasers), pracujących w zakresie średniej podczerwieni, o mocy impulsu trzykrotnie przewyższającej dotychczasowe konstrukcje. To najmłodsza odmiana laserów półprzewodnikowych, która otwiera drogę do obiecujących zastosowań przemysłowych i medycznych.

Lasery, wykonane z arsenku galu domieszkowanego glinem (GaAs/AlGaAs), emitują impulsy promieniowania podczerwonego. W temperaturze pokojowej moc impulsu sięga kilkudziesięciu miliwatów, a w warunkach chłodzenia kriogenicznego nawet pięciu watów.

Kwantowe lasery kaskadowe to periodyczne struktury złożone z wielu – nawet kilkuset – warstw półprzewodnikowych tworzących tzw. supersieć. Grubość warstw supersieci zmienia się w starannie zaprojektowany sposób i zazwyczaj wynosi kilka nanometrów. Do ich osadzania używa się epitaksji z wiązek molekularnych.

W tradycyjnych laserach półprzewodnikowych światło laserowe jest emitowane, gdy elektrony z pasma przewodnictwa w półprzewodniku rekombinują z pustymi, nieobsadzonymi stanami w paśmie walencyjnym. Długość fali promieniowania emitowanego przez laser półprzewodnikowy zależy zatem od wielkości przerwy wzbronionej między pasmami walencyjnym, a przewodnictwa.

– Skonstruowanie lasera półprzewodnikowego emitującego fale ściśle określonej długości nie jest łatwe – mówi prof. Maciej Bugajski. – Najpierw trzeba znaleźć materiał o odpowiedniej przerwie energetycznej. To może być trudne lub nawet niemożliwe. A gdy już go mamy – to i tak dopiero początek drogi. Zwykle trzeba od podstaw wymyślać całą technologię jego obróbki .

W kwantowych laserach kaskadowych energia emitowanego promieniowania nie zależy od materiału, lecz od geometrii supersieci, czyli od układu i grubości periodycznych warstw półprzewodnikowych. Elektron wstrzyknięty do pierwszego okresu supersieci tuneluje w górny obszar pasma przewodnictwa. Chwilę później przeskakuje na niższy poziom, wciąż znajdujący się w paśmie przewodnictwa (przejście wewnątrzpasmowe). Podczas przeskoku dochodzi do emisji fotonu. Następnie elektron tuneluje w górny obszar pasma przewodnictwa kolejnego okresu supersieci i proces się powtarza. Odstęp między stanem wzbudzonym a podstawowym, w ramach pasma przewodnictwa, można zmieniać, regulując m.in. grubość warstw supersieci.

Specyfika laserów QCL powoduje, że względnie łatwo zaprojektować strukturę półprzewodnikową emitującą fale elektromagnetyczne określonej długości. Lasery kaskadowe skonstruowane w ITE mogą działać w średniej podczerwieni (fale długości od 9 do 10 mikronów). – To bardzo atrakcyjny obszar fal elektromagnetycznych. Wiele związków chemicznych pochłania promieniowanie właśnie z tego zakresu – mówi prof. Bugajski.

Pierwsze lasery QCL w Polsce opracowano w ramach ogólnopolskiego projektu Zaawansowane technologie dla półprzewodnikowej optoelektroniki podczerwieni , którego koordynatorem był ITE. W projekcie uczestniczył też m.in. Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej, gdzie powstał prototypowy detektor gazowego amoniaku. Urządzenie, obecnie wyposażone w nowe lasery kaskadowe z ITE i detektory podczerwieni firmy VIGO System S.A., wyprodukowane we współpracy z ITE, wykrywa amoniak w stężeniach od kilkudziesięciu cząsteczek na miliard.

Kwantowe lasery kaskadowe budzą duże zainteresowanie, ponieważ umożliwiają budowę przenośnych detektorów wykrywających śladowe ilości substancji chemicznych, np. metanu w kopalniach czy niebezpiecznych gazów w przemyśle chemicznym. Obiecujące są także zastosowania medyczne. Lasery QCL w detektorach pomagałyby wykrywać nawet śladowe obecności markerów chorobowych w powietrzu wydychanym przez pacjenta. Ponieważ promieniowanie podczerwone przenika przez ludzkie ciało, pojawia się też możliwość bezpiecznego prześwietlania pacjentów z rozdzielczością lepszą od uzyskiwanej w ultrasonografii.