Kwantowe lasery kaskadowe (Quantum Cascade Lasers - QCL) to najmłodsza odmiana laserów półprzewodnikowych. Znane są zaledwie od kilkunastu lat i dopiero znajdują się na progu komercjalizacji. 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 ich zastosowania medyczne. Lasery QCL w detektorach pomagają wykrywać nawet śladowe obecności markerów chorobowych w wydychanym przez pacjenta powietrzu. Ponieważ promieniowanie podczerwone przenika przez ludzkie ciało, umożliwiają też bezpieczne prześwietlanie pacjentów z rozdzielczością lepszą od uzyskiwanej w ultrasonografii.

Uczeni z ITE opracowali technologię produkcji i zbudowali prototypy kwantowych laserów kaskadowych rekordowej mocy. "Nowe urządzenia emitują impulsy promieniowania podczerwonego. W temperaturze pokojowej moc impulsu sięga kilkudziesięciu miliwatów, a w warunkach chłodzenia kriogenicznego - nawet pięciu watów. Wartości te są trzykrotnie większe od najlepszych rezultatów osiąganych na świecie dla tego układu materiałowego i tej konstrukcji" - czytamy w przesłanym PAP komunikacie.

Lasery kaskadowe składają się z wielu - nawet kilkuset - warstw półprzewodnikowych tworzących tzw. supersieć. Grubość warstw supersieci zmienia się w starannie zaprojektowany sposób i zazwyczaj wynosi kilka nanometrów. Lasery QCL w szczególny sposób wykorzystują mechanizmy przewodnictwa w materiałach półprzewodnikowych.

Jak wyjaśniają specjaliści z ITE, według pasmowej teorii przewodnictwa, jeśli elektrony w półprzewodniku mają małą energię, o wartościach w zakresie nazywanym pasmem podstawowym (walencyjnym), to są związane z atomami półprzewodnika. Jeśli energia elektronów zwiększy się do wartości z zakresu pasma przewodnictwa, elektrony odrywają się od atomów i stają się, obok dziur, nośnikami ładunku w materiale.

"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 między pasmami walencyjnym a przewodnictwa" - czytamy w komunikacie ITE.

Prof. Maciej Bugajski z ITE podkreśla, że skonstruowanie lasera półprzewodnikowego emitującego fale ściśle określonej długości nie jest łatwe. "Najpierw trzeba znaleźć materiał o odpowiedniej przerwie energetycznej. To może być trudne lub nawet niemożliwe. A gdy już go mamy, to i tak początek drogi, bo zwykle trzeba od podstaw wymyślać całą technologię jego obróbki" - wyjaśnia.

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. "Średnia podczerwień jest bardzo atrakcyjnym obszarem fal elektromagnetycznych. Wynika to z faktu, że wiele związków chemicznych pochłania promieniowanie właśnie z tego zakresu" - wyjaśnia prof. Bugajski.

W Polsce pierwsze lasery QCL wyprodukowano w 2009 roku w Instytucie Technologii Elektronowej. Opracowano je w ramach ogólnopolskiego projektu "Zaawansowane technologie dla półprzewodnikowej optoelektroniki podczerwieni", którego koordynatorem był ITE.

PAP - Nauka w Polsce

ekr/ agt/bsz