Dowiedzmy się więcej o kwantowych laserach kaskadowych (QCL) – nasi badacze przygotowali krótką notatkę na ich temat, aby pokazać, dlaczego są tak interesujące i jak można je wykorzystywać.

1) Lasery półprzewodnikowe są zazwyczaj oparte na przejściach międzypasmowych, które są przejściami nośników między dwoma różnymi pasmami zwanymi pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa, gdzie elektrony i dziury rekombinują ze sobą i emitują fotony. W QCL proces emisji światła opiera się na przejściach wewnątrzpasmowych – przejściach pomiędzy skwantowanymi stanami elektronowymi (podpasmami) wewnątrz pasma przewodnictwa, co czyni te urządzenia unipolarnymi – do emisji światła wykorzystują bowiem tylko elektrony.

2) Podczerwień o zakresie fal średnim i długim to fale elektromagnetyczne o długości 3-5 µm i 8-14 µm (typowe dla QCL), podczas gdy widmo światła widzialnego obejmuje długości fali 380-750 nm. Na przykład najbardziej znane nam, używane na co dzień, urządzenie na podczerwień – pilot do telewizora wyposażony w diodę emitującą podczerwień – emituje światło o długości fali ~940 nanometrów, które mieści się w zakresie bliskiej podczerwieni.

3) Materiały III-V to związki chemiczne występujące w QCL zawierające pierwiastki z grup III i V w układzie okresowym pierwiastków chemicznych. Materiały te są wykorzystywane do tworzenia materiałów półprzewodnikowych o specjalnych właściwościach. Takie materiały są podstawą wielu urządzeń elektronicznych, a także laserów półprzewodnikowych, w tym QCL. Materiały III-V to na przykład arsenek galu, antymonek galu i fosforek indu.

4) Obszar aktywny – miejsce, w którym zachodzi emisja fotonów, jest sercem lasera półprzewodnikowego. W QCL składa się on z sekwencyjnie ułożonych kilkunanometrowych warstw materiałów półprzewodnikowych. Jest to najważniejsza część całej struktury lasera i wymaga niezwykle precyzyjnej metody wytwarzania, m.in. MBE (epitaksja z wiązek molekularnych).

5) Zastosowania QCL skupiają się głównie na spektroskopii – badaniu absorpcji i emisji światła oraz innego promieniowania przez materię, zwłaszcza gazów. Systemy detekcji gazów, oparte na laserach QCL, są bardzo czułe i mogą znaleźć zastosowanie w medycynie, przemyśle i ochronie środowiska. Co więcej, obszar spektralny średniej podczerwieni zawiera „okno atmosferyczne”, w którym fale elektromagnetyczne przechodzą przez gazy atmosferyczne z bardzo małą stratą. To sprawia, że QCL są doskonałymi źródłami komunikacji w wolnej przestrzeni – Free Space Optics (FSO).