Quantum cascade lasers là gì? Các công bố khoa học về Quantum cascade lasers
Quantum Cascade Lasers (QCLs) là loại laser bán dẫn tiên tiến, ra đời năm 1994 bởi giáo sư Federico Capasso tại Bell Labs. Khác với các laser truyền thống, QCLs hoạt động dựa trên chuyển tiếp skầm thang giữa các mức năng lượng lượng tử trong siêu mạng từ chất liệu bán dẫn như GaAs và AlGaAs. Với ưu điểm linh hoạt về bước sóng, hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn, QCL được ứng dụng trong cảm biến khí, y học và quân sự. Công nghệ này tiếp tục phát triển và hứa hẹn mang lại những cải tiến và ứng dụng rộng rãi trong tương lai.
Giới thiệu về Quantum Cascade Lasers
Quantum Cascade Lasers (QCLs) là một loại laser bán dẫn độc đáo được phát triển đầu tiên vào năm 1994 bởi nhóm nghiên cứu của giáo sư Federico Capasso tại phòng thí nghiệm Bell Labs. Không giống như các laser bán dẫn truyền thống, QCL không dựa trên chuyển tiếp giữa dải dẫn và dải hóa trị mà hoạt động dựa trên cơ chế chuyển tiếp skầm thang giữa các mức năng lượng lượng tử trong một siêu mạng.
Cấu tạo và Nguyên lý Hoạt động
Quantum Cascade Lasers được cấu tạo từ các lớp vật liệu bán dẫn siêu mỏng, thường là Gallium Arsenide (GaAs) và Aluminium Gallium Arsenide (AlGaAs), được xếp lớp theo tuần tự để tạo thành một siêu mạng. Siêu mạng này chứa nhiều hố lượng tử, trong đó các điện tử di chuyển qua một chuỗi các giếng lượng tử và phát ra photon trong quá trình chuyển tiếp.
Nguyên lý hoạt động của QCL khác biệt so với các laser bán dẫn cổ điển ở chỗ năng lượng phát xạ không bị giới hạn bởi khoảng cách giữa dải dẫn và dải hóa trị. Thay vào đó, tần số của ánh sáng phát ra được xác định chủ yếu bởi kích thước và chất liệu của các giếng lượng tử. Điều này cho phép QCL có khả năng phát xạ ở miền hồng ngoại trung bình đến xa, đặc biệt là từ 4 đến 12 micromet.
Ưu Điểm của Quantum Cascade Lasers
Quantum Cascade Lasers có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại laser bán dẫn khác:
- Linh hoạt về bước sóng: Nhờ vào cấu trúc siêu mạng và giếng lượng tử, QCL có khả năng điều chỉnh bước sóng phát xạ dễ dàng, từ hồng ngoại gần đến hồng ngoại xa.
- Hiệu suất cao: QCL có thể đạt được hiệu suất cao trong việc phát xạ năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi năng lượng lớn.
- Kích thước nhỏ gọn: Do được chế tạo bằng công nghệ vi mạch, QCL rất nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống phức tạp.
Ứng Dụng của Quantum Cascade Lasers
Quantum Cascade Lasers được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp, bao gồm:
- Cảm biến khí: QCL có khả năng phát hiện các khí cụ thể qua việc phân tích quang phổ hồng ngoại, rất hữu ích trong giám sát môi trường và phân tích khí thải.
- Y học: Được sử dụng trong chẩn đoán y học qua việc nhận dạng các hợp chất hóa học đặc trưng trong các mẫu sinh học.
- An ninh và quân sự: Sử dụng trong các hệ thống nhận diện từ xa và liên lạc an toàn, nhờ vào khả năng phát xạ ở hồng ngoại xa, không bị phát hiện dễ dàng.
Kết Luận
Quantum Cascade Lasers là một công nghệ tiên tiến với nhiều tiềm năng ứng dụng rộng lớn. Nhờ vào cấu trúc và nguyên lý hoạt động độc đáo, QCL đã chứng minh được vai trò của mình trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ khoa học cơ bản đến công nghiệp thực tiễn. Với sự phát triển không ngừng, QCL hứa hẹn sẽ tiếp tục mang lại những cải tiến vượt bậc và ứng dụng mới trong tương lai.
Danh sách công bố khoa học về chủ đề "quantum cascade lasers":
Hoạt động đơn mode theo xung của laser chuỗi lượng tử phản hồi phân tán được báo cáo ở nhiệt độ trên phòng ở cả hai bước sóng 5.4 và 8 μm. Công suất quang đỉnh lên đến 60 mW tại 300 K được thu được với dải tần số điều chỉnh khoảng 60 nm từ 100 đến khoảng 320 K. Độ rộng đường phổ bị giới hạn bởi độ trôi nhiệt trong quá trình xung với giá trị điển hình là 0.3 cm−1 cho một xung dài 10 ns tại 300 K.
Kỹ thuật cấu trúc băng tần đã dẫn đến sự phát triển của một loại laser hoàn toàn mới với các ứng dụng từ phân tích khí vết cực kỳ nhạy đến truyền thông.
Chúng tôi báo cáo về việc phát hiện NO 2 ở mức dưới phần tỉ tỉ bằng kỹ thuật quang âm học kích thích laser có thể điều chỉnh, trong đó bức xạ laser được thu nhận từ một laser cascade lượng tử công suất cao liên tục hoạt động trong cấu hình bể grating bên ngoài ở nhiệt độ phòng. Laser cascade lượng tử có bể grating bên ngoài liên tục có khả năng điều chỉnh cho ra công suất đầu ra tần số đơn tối đa là ≈300 mW, có thể điều chỉnh trong khoảng ≈350 nm, với tâm ở 6.25 μm. Chúng tôi chứng minh mức phát hiện tối thiểu khoảng 0.5 phần tỉ tỉ của NO 2 trong điều kiện không khí ẩm.
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10