Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

czerwieni (0,785; 0,85 oraz 1,55 µm) [11]. Poważną wadą tychczęstotliwości jest bardzo duży spadek transmisji w złych warunkachpogodowych. Wyniki badań pokazują, że warunki pogodowenie mają wpływu na transmisję fal o długościach9...13 µm, zaś najlepszą transmisję otrzymuje się dla długości11 µm [12]. Kolejnym wynikającym z tego zastosowaniem jestlokalna komunikacja, np. pomiędzy budynkami w mieście,szczególnie w miejscach gdzie wysoce nieopłacalne jestzakładanie sieci światłowodowych, a anteny odbiorcze musiałybybyć dużych rozmiarów.W zakresie 3,5...24 µm znajduje się bardzo wiele długościfal, które są pochłaniane przez różnego rodzaju gazy, m.in.CO, CO 2 , CH 4 , NO. Stosowane dotychczas urządzenia do detekcjigazów były stosunkowo dużych rozmiarów, użycie laserówkaskadowych pozwoli zmniejszyć wielkość tego typuurządzeń do rozmiaru laptopa. Kolejną cechą wykorzystywanąw tych urządzeniach jest wysoka monochromatycznośćpromieniowania oraz możliwość strojenia lasera poprzezzmianę temperatury oraz jego prądu zasilania.Zdolność wykrywania gazów przez urządzenia wykorzystującetechnologię laserów kaskadowych została już sprawdzonawielokrotnie w rozmaitych doświadczeniach [13,14],zaś ilość możliwych do wykrycia przez te systemy gazówciągle rośnie. Ze względu na rodzaje wykrywanych gazów,urządzenia te mogą posłużyć między innymi do badaniaefektu cieplarnianego, emisji gazów przemysłowych, jak równieżw medycynie do wykrywania bioznaczników lub wczesnegodiagnozowania różnych chorób przez badania składuwydychanego powietrza [15]. Wojsko może wykorzystywać teukłady do wykrywania gazów bojowych, śladowych ilości materiałówwybuchowych oraz substancji toksycznych. W 2009 r.NASA wysyła na Marsa misję badawczą w której urządzeniawykorzystujące lasery kaskadowe będą miały za zadanie zbadaniegazów na powierzchni Marsa [16]. Polskim akcentemtej misji będą niechłodzone detektory podczerwieni, wykorzystywanew analizatorze gazów, wyprodukowane przez firmęVIGO Systems.Do pozostałych i wartych uwagi możliwych zastosowań laserówkaskadowych należy wysokokontrastowa termowizja,dzięki której będzie możliwe oglądanie niskotemperaturowychobiektów kosmicznych i odległych galaktyk oraz heterodynowadetekcja promieniowania tła po wielkim wybuchu. Oboktego możliwa będzie konstrukcja lepszych noktowizorów orazurządzeń radarowych.Rozwój struktur laserów kaskadowychRys. 7. Etapy rozwoju obszarów czynnych laserów kaskadowychFig. 7. Development of the quantum cascade laser active regionsW rozdziale niniejszym przedstawiona zostanie historia rozwojulaserów kaskadowych. Pierwsza część rozdziału dotyczyrozwoju konstrukcji obszaru czynnego laserów. Opisanotutaj poszczególne etapy jego modyfikacji w celu uzyskaniapracy CW w temperaturach pokojowych, podkreślając zarazemróżnice w działaniu poszczególnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych.Ze względu na rodzaje podłożymożna z kolei dokonać podziału laserów kaskadowych na laserywykonane na podłożu InP, GaAs oraz inne (np. wykonanena bazie SiGe). W drugiej części rozdziału zostanąkrótko omówione podstawowe konstrukcje całych przyrządóworaz ich sposoby wytwarzania. Na końcu przedstawiono aktualnystan rozwoju laserów kaskadowych, ich możliwości,ograniczenia i najbliższe wyzwania, jakie przed nimi stoją.Działanie laserów kaskadowych ściśle związane jestz pojęciem supersieci. Prace nad tymi strukturami trwały jużod początku lat 70. W 1970 roku Esaki oraz Tsu, badająctransport nośników w supersieciach, stwierdzili obecność obszaruo ujemnej oporności różniczkowej NDR (ang. NegativeDifferential Resistance) oraz zaobserwowali oscylacjeBlocha [17]. W 1971 r. Kazarinov oraz Suris badając charakterystykiprądowo-napięciowe, tzw. struktur silnie oddziałujących(struktur z wieloma blisko siebie położonymistudniami kwantowymi) przewidzieli istnienie pików odnoszącychsię do rezonansowego tunelowania z poziomupodstawowego do poziomu wzbudzonego sąsiedniej studnikwantowej [18,19]. Stworzona wówczas teoria opisująca wewnątrzpasmowetunelowanie wspomagane fotonami dałapodwaliny teorii przyszłych laserów kaskadowych oraz pozwoliław pełni wytłumaczyć otrzymane w 1974 r. wyniki obliczeńTsu i Esakiego, które dotyczyły tunelowania przezukład wielu studni [20]. Wspomniane prace teoretyczne zostałypodparte eksperymentalnymi wynikami obserwacji zjawiskatunelowania rezonansowego dla układu dwóch barierpotencjału [21]. W 1974 r. zaobserwowano także doświadczalniekwantyzację poziomów energetycznych w studniachkwantowych [22]. W 1986 r. zaobserwowano po raz pierwszyelektroluminescencję z supersieci GaAs/AlGaAs składającejsię z 60. okresów - studnia kwantowa/bariera [23]. Przejściapromieniste zachodziły w niej pomiędzy sąsiednimi studniami.Wyniki te wskazały kierunek rozwoju tego typu strukturoraz możliwości ich zastosowań.Warunki pracy oraz parametry pierwszego lasera kaskadowegopozostawiały wiele do życzenia. Aby poprawić parametrytego typu przyrządów rozpoczęto badania nad poprawąwłaściwości fizycznych obszaru aktywnego. Stawiano sobieza cel zwiększyć inwersję obsadzeń oraz ograniczyć szkodliweprocesy ją zmniejszające. Etapy rozwoju obszarów czynnychlaserów kaskadowych zostały przedstawione na rys. 7.W ten sposób powstawały coraz to nowe konstrukcje pracującena rozmaitych długościach fal. Równocześnie trwałyprace nad polepszeniem struktury lasera poprzez modyfikacjęmateriałów, z których jest on zbudowany oraz optymalizacjękonstrukcji przyrządu. Wiązało się to z doskonaleniem metodwytwarzania materiałów półprzewodnikowych oraz opracowywaniemnowych materiałów mających służyć jako podłożedo epitaksji warstw. Dzięki użyciu odpowiedniego systemumateriałowego oraz wyrafinowanych konstrukcji obszaruczynnego możliwa była znaczna poprawa parametrów laserówkaskadowych oraz rozszerzenie zakresu spektralnegoemitowanych przez nie długości fal.ELEKTRONIKA 5/2009 33