Kwantowe lasery kaskadowe są znane zaledwie od kilkunastu lat. 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.
Lasery kaskadowe to najmłodsza odmiana laserów półprzewodnikowych, znajdująca się dopiero na progu komercjalizacji. W Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie opracowano technologię produkcji laserów kaskadowych, pracujących w zakresie średniej podczerwieni, o mocy w impulsie trzykrotnie przewyższającej dotychczasowe konstrukcje. Nowe urządzenia otwierają drogę do obiecujących zastosowań przemysłowych i medycznych.
Instytut Technologii Elektronowej (ITE) w Warszawie opracował technologię produkcji i zbudował prototypy kwantowych laserów kaskadowych rekordowej mocy. Nowe urządzenia, wykonane z arsenku galu domieszkowanego glinem, 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.
Kwantowe lasery kaskadowe (Quantum Cascade Lasers, QCL) to periodyczne struktury złożone z wielu (nawet kilkuset) warstw półprzewodnikowych tworzących tzw. supersieć. Grubość warstw supersieci zmienia się w starannnie zaprojektowany sposób i zazwyczaj wynosi kilka nanometrów. W ITE warstwy są wykonywane z arsenku galu z domieszkami glinu (GaAs/AlGaAs). Do ich osadzania używa się epitaksji z wiązek molekularnych.
Lasery QCL w szczególny sposób wykorzystują mechanizmy przewodnictwa w materiałach półprzewodnikowych.
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 wzbronionej między pasmami walencyjnym a przewodnictwa. – Skonstruowanie lasera półprzewodnikowego emitującego fale ściśle określonej długości nie jest łatwe – mówi prof. dr hab. Maciej Bugajski z ITE. – 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.
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). – Średnia podczerwień jest bardzo atrakcyjnym obszarem fal elektromagnetycznych. Wynika to z faktu, że wiele związków chemicznych pochłania promieniowanie właśnie z tego zakresu – mówi prof. Bugajski.
W Polsce pierwsze lasery QCL zostały wyprodukowane w 2009 roku właśnie w Instytucie Technologii Elektronowej. Opracowano je w ramach ogólnopolskiego projektu „Zaawansowane technologie dla półprzewodnikowej optoelektroniki podczerwieni”, którego koordynatorem był ITE.
W projekcie uczestniczył 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 wyprodukowane we współpracy z ITE, wykrywa amoniak w stężeniach od kilkudziesięciu cząsteczek na miliard.
