QUANTUM CASCADE LASER (QCL) Laser de Cascada Cuántica Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica Ciclo de Seminarios de Física de Láseres David Romero Antequera 2do. Término Maestría en Óptica México, Puebla. 2007

El láser de QCL fue logrado en 1994 en los laboratorios de Bell por Capasso, Alfred Cho y sus colaboradores. Este láser es de alta potencia y puede emitir la luz sobre una amplia gama del espectro electromágnetico. La estructura cristalina de un laser de QCL contiene hasta 1000 capas que se alternan entre dos diversos semiconductores. Adaptando el grueso de estas capas, la longitud de onda del láser se puede variar a través de una gama sin precedente usando la misma combinación de materiales. Alfred Y Cho Federico Capasso *La idea originalmente fue planteada por Kazarinov y Suris (1971)

Láseres de semiconductor comunes Los electrones de la banda de conducción se recombinan con los huecos en la banda de valencia, emitiendo un fotón en el proceso www.wtec.org/loyola/nano/05_04.htm

Concepto original y predicción teórica Niveles de energía de los electrones en pozos cuánticos fuertemente dependientes del grosor de las capas Fotones láser creados por saltos de los electrones entre los niveles de energía (por lo tanto la longitud de onda se determina al elegir el grosor de las capas ) Muchos fotones se crean por brincos en cascadas a través de los diferentes posos cuánticos.

Inyectores, minigaps y minibandas

Ventajas en comparación con Láseres de Semiconductor Tradicionales Semiconductores Tradicionales Quantum Cascade Laser La interacción electrón-hueco se agota en cada emisión Los pozos cuánticos no se agontan por emisión de fotones Se basan en una interacción que emite un sólo fotón. Requiere dos portadores Se basan en un sólo tipo de portadores. Pueden emitirse muchos fotones por electrón La longitud de onda se determina por el gap de energía del material. Diferentes longitudes de onda requieren de materiales diferentes La longitud de onda depende del ancho de las capas. Se pueden conseguir una variedad inmensa de longitudes de onda utilizando los mismos materiales.

Ancho del rango de longitudes de onda de un láser QCL. El láser QCL cubre completamente el infrarojo-medio (3.4-17μm) por adaptación del grueso de las capas de el mismo material.

Alta potencia pico al aumentar el número de pasos M. Razeghi, S. Slivken. Jour. Kor. Phys. Soc. 42, S637 (2003)

Laser CW 5.2 mm 1.5 mm de largo 12 mm de ancho Temperatura máxima: 20°C (115 K) H. Page. SPIE Europe Symposium (2005)

Guías de onda M. Razeghi, S. Slivken. Jour. Kor. Phys. Soc. 42, S637 (2003)

Aplicaciones: Evaluación de Transporte Aéreo

Más Aplicaciones Monitoreo de Procesos Industriales Contaminación en líneas de fabricación de semiconductores Procesamiento de alimentos Diagnósticos de combustiones Aplicaciones Médicas Diagnósticos médicos Contaminantes Biológicos Detección de drogas o explosivos Detección de agentes biológicos Telecomunicaciones

CONCLUSIONES Los láseres de cascada cuántica presentan una excelente alternativa para el mediano infrarrojo. El proceso se basa en utilizar un electrón para producir muchos fotones en un ciclo. La variedad de longitudes de onda que pueden emitirse con un mismo material representan una enorme ventaja. Puede emitirse a temperaturas ambiente, con altas potencias y eficiencias relativamente altas. Hay tantas posibles aplicaciones que le convierte en un área interesante de tecnología. A nivel teórico, experimental y de ingeniería, queda mucha tela por cortar.