لیزرهای نقاط کوانتومی

لیزر دستگاهى است که نور را توسط نشر بر انگیخته تابش ، تقویت مى کند . در یک نیم رسانا تنها یک فوتون قادر است فوتون مشابه دیگرى را با  برانگیزش بازترکیب ﺟفت الکترون ـ حفره تولید کند  ...

لیزر دستگاهى است که نور را توسط نشر بر انگیخته تابش ، تقویت مى کند . در یک نیم رسانا تنها یک فوتون قادر است فوتون مشابه دیگرى را با  برانگیزش بازترکیب ﺟفت الکترون ـ حفره تولید کند . تکثیر فوتون ها مهم ترین مکانیسم فیزیکى لیزرزایى است . دومین فوتون طول موﺝ و فاز یکسانى را با فوتون اولیه دارد و همچنین دامنه موﺝ تکرنگ مربوط به فوتون اولیه دو برابر مى شود . تکرار متعاقب این فرایند موﺟب تقویت نور مى شود . فرایند رقابت کننده با این فرایند وﺟود دارد که فرایند ﺟذب فوتون ها با تولید ﺟفت الکترون و حفره است . گسیل القایى وقتى غالب مى شود که الکترون هاى زیادترى در تراز باند رسانش نسبت به تراز باند والانس وﺟود داشته باشد . ﺟﻤﻌیت معکوس اولین شرط لیزرزایى است و مى توانیم با فراهم کردن الکترون هاى باند رسانش از طرف  n  و حفره هاى باند والانس از طرف p  پیوند p n-  بدست آوریم . انرژى فوتون با گاف باندى ماده بیان مى شود که به ماده نیم رسانا وابسته است . تزریق ﺟریان به طور پیوسته به دستگاه ﻣﻨﺟر به گسیل القایى پیوسته فوتون ها مى شود . پس فیدبک نورى و محدودیت فوتون ها در مشدد اپتیکى دومین شرط لازم براى لیزرزایى است .

لیزر نیم رسانا مانند دیگر لیزرها تابش گسیل شده همدوس دمایى و فضایى دارد . نور لیزر به شدت تکرنگ است (پهناى باند کوچک ) و باریکه نور مستقیمى را تولید مى کند . در لیزرهاى معمول ، گذارهاى کوانتومى بین ترازهاى انرژى اتمى گسسته اتفاق مى افتد در حالى که در لیزرهاى نیم رسانا گذارهاى مربوط به خواص باندى مواد است . لیزر نیم رسانا از نظر اندازه بسیار کوچک هستند به طوری که در حد  0.1  میلى متر هستند و ﭼون ناحیه فعال بسیار باریک است ( از مرتبه  m 1 یا کمتر ) همگرایى باریکه لیزرى بیشتر از لیزر هاى معمول است . مشخصات فضایى و طیفى لیزر نیم رسانا با خواص محیط پیوندى مانند گاف باندى و تغییرات ضریب شکست به شدت تحت تاثیر قرار مى گیرید .

ﭼون لیزرهاى نیم رسانا طول عمر فوتونى بسیار کوچکى دارند ، مدولاسیون در فرکانس هاى بالا مى توانند بدست آیند . فعالیت لیزر به راحتى با عبور ﺟریان مستقیم از دیود پمپاژ مى شود .لیزرهاى نیم رسانا به دلیل تنظیم پذیرى طول موﺝ آنها همراه با پهناى خطى طیفى باریک پایدارى بالا ، توان ورودى کم ، ساده بودن ساختار ، پتانسیل مهمى براى کاربرد در تکنولوژى و تحقیقات اساسى مانند اسپکتروسکوپى مولکولى و اسپکتروسکوپى اتمى و ... دارد

پیدایش دستگاه هایى بر پایه عناصر فعال با ابعاد نانو مترى ، دوره نانو الکترونیک ها و نانو فوتونیک ها را نشان مى دهد . ﭼنین عناصرى به طرز قابل توﺟهى ناﻣﺘﺠﺎنس هاى با ابعاد پایین مانند چاه کوانتومى ، سیم هاى کوانتومى و نقاط کوانتومى هستند .

محدودیت کوانتومى در ناﻣﺘﺠﺎنس هاى ابعاد پایین به شدت خواص اساسی کریستال نیم رسانا را تغییر مى دهد . در چاه هاى کوانتومى ، حاملین به طور فضایى در ﺟهت عرضى محدود مى شوند و در سطح آن آزادانه حرکت مى کنند . در سیم هاى کوانتومى ، حاملین در  دو ﺟهت عرضى محدود مى شوند و در یک ﺟهت آزادانه حرکت مى کنند . بنابراین طیف هاى انرژى حامل در چاه های کوانتومی و سیم های کوانتومی درون زیرباند هاى گسترده اى از حالت هاى ﻣﺠﺎز ، پیوسته هستند و به همین دلیل از نظر کیفى از طیف هاى مربوط به کریستال ﺣﺠﻤﻲ متفاوت هستند .

در یک نقطه کوانتومى ، حاملین از سه ﺟهت محدود هستند که با تغییر خواص الکترونیکى مواﺟﻪ مى شود. ترازهاى انرژى گسسته هستند ، به همین دلیل نقاط کوانتومى به عنوان ابر اتم یا اتم هاى مصنوعى شناخته مى شوند . نقاط کوانتومى با سایز معمول ( چند نانومتر تا چند ده نانومتر ) شامل چندین هزار تا چندین ده هزار اتم هستند .

کاهش ابعاد ناحیه فعال ، مى تواند عملکرد لیزر را بهتر کند . این نظریه ابتدا به لیزرهاى چاه کوانتومى اعمال شد و هم اکنون لیزرهاى چاه کوانتومى ﺟایگزین لیزرهاى ﺣﺠﻤﻲ در کاربردهاى معمول شده است . تا آﻧﺠﺎ که مربوط به چگالى پیوسته حالتها مى شود ، درون زیر باندهاى ﻣﺠﺎز  استفاده از چاه کوانتومى و سیم کوانتومى بعنوان محیط فعال براى ﮔذارهاى اپتیکى القایى ، کیفیت مشخصه هاى دستگاه را در مقایسه با دستگاه ﺣﺠﻤﻲ بهتر می کند .  در لیزرهاى چاه کوانتومى ساختار و دانسیته ی حالات انرژی آنها باعث کاهش ضخامت ناحیه ی فعال شده که آن هم منجر به کاهش جریان آستانه شده است و بازدهی بیشتری نسبت به لیزرهای نیمرسانای دیگر دارند .

ترازهاى انرژى گسسته ابزارى براى تنظیم طول موﺝ ﻣﻨﺘج از ماده است ، چون ضخامت چاه کوانتومى به فاصله بین ترازهاى انرژى بستگى دارد ، تنظیم پذیرى مى تواند با تغییر دیمانسیون یا ضخامت چاه کوانتومى اﻧﺠﺎم گیرد.

با کاهش ابعاد ناحیه فعال لیزرى ، چگالى حالت ها باریک مى شوند ، در ﻧﺘﻴﺠﻪ تعداد کمترى از حالتها لازم است پرشوند تا شفافیت ناحیه فعال و لیزرزایى بدست آید .

در ﻧﺘﻴﺠﻪ ﺟریان شفاف سازى (ﺟریان تزریق شده مورد نیاز براى داشتن بهره صفر ) و ﺟریان آستانه ( ﺟریانى که در آن بهره برابر است با اتلاف و ﺟریانى که در آن لیزرزایى شروع می شود .) کاهش مى یابد و همچنین وابستگى دمایى کمتر مى شود . کاهش ﺟریان آستانه و بهتر شدن پایدارى دمایى آن موارد مهمى در پیشرفت هاى لیزرهاى دیودى هستند. با توﺠﻪ به تغییر اساسى چگالى حالتها و طیف بهره درنقاط کوانتومى ،  تولید لیزرزایى با دماى پایین و پایدارى حرارتى بالا درنقاط کوانتومى مناسب هستند

از مزایای این لیزرها

 .1 بهبود پهنای باند مدولاسیون

 .2 جریان آستانه پایین

.3 بهبود پارامتر پهنای خط

. 4 حساسیت کم به دما