Láser cuántico en cascada
Los láseres de cascada cuántica (QCL) son láseres semiconductores que emiten en la porción del infrarrojo medio a lejano del espectro electromagnético y fueron demostrados por primera vez por Jerome Faist, Federico Capasso , Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson y Alfred Cho en Bell Laboratories . en 1994. [1]
A diferencia de los láseres semiconductores interbanda típicos que emiten radiación electromagnética a través de la recombinación de pares electrón-hueco a través de la brecha de banda material , los QCL son unipolares y la emisión láser se logra mediante el uso de transiciones entre subbandas en una pila repetida de heteroestructuras semiconductoras de pozos cuánticos múltiples , una idea propuesto por primera vez en el artículo "Posibilidad de amplificación de ondas electromagnéticas en un semiconductor con una superred" por RF Kazarinov y RA Suris en 1971. [2]
Dentro de un cristal semiconductor a granel , los electrones pueden ocupar estados en una de dos bandas de energía continua: la banda de valencia , que está muy poblada con electrones de baja energía y la banda de conducción , que está escasamente poblada con electrones de alta energía. Las dos bandas de energía están separadas por una brecha de banda de energía en la que no hay estados permitidos disponibles para que los electrones los ocupen. Los diodos láser semiconductores convencionales generan luz mediante la emisión de un solo fotón cuando un electrón de alta energía en la banda de conducción se recombina con un hueco en la banda de valencia. La energía del fotón y, por lo tanto, la longitud de onda de emisión de los diodos láser está determinada por la banda prohibida del sistema material utilizado.
Sin embargo, un QCL no utiliza materiales semiconductores a granel en su región ópticamente activa. En su lugar, consiste en una serie periódica de capas delgadas de composición de materiales variables que forman una superred . La superred introduce un potencial eléctrico variable a lo largo del dispositivo, lo que significa que existe una probabilidad variable de que los electrones ocupen diferentes posiciones a lo largo del dispositivo. Esto se conoce como confinamiento de pozo cuántico múltiple unidimensional y conduce a la división de la banda de energías permitidas en varias subbandas electrónicas discretas. Mediante un diseño adecuado de los espesores de capa es posible diseñar un inversión de población entre dos subbandas en el sistema que se requiere para lograr la emisión láser. Debido a que la posición de los niveles de energía en el sistema está determinada principalmente por el grosor de la capa y no por el material, es posible ajustar la longitud de onda de emisión de los QCL en un amplio rango en el mismo sistema de material.
Además, en los diodos láser semiconductores, los electrones y los huecos se aniquilan después de recombinarse a lo largo de la brecha de banda y ya no pueden desempeñar ningún papel en la generación de fotones. Sin embargo, en un QCL unipolar, una vez que un electrón ha experimentado una transición entre subbandas y ha emitido un fotón en un período de la superred, puede pasar al siguiente período de la estructura donde se puede emitir otro fotón. Este proceso de un solo electrón que causa la emisión de múltiples fotones a medida que atraviesa la estructura QCL da lugar al nombre de cascada y hace posible una eficiencia cuántica mayor que la unidad, lo que conduce a potencias de salida más altas que los diodos láser semiconductores.
