Quanten-Kaskaden-Laser Bedeutung, Erklärung und Definition.

Quantenkaskadenlaser (QCL) sind eine spezielle Art von Halbleiterlaser. Das theoretische Konzept dafür wurde bereits im Jahr 1971 von R. F. Kazarinov und R. A. Suris entwickelt.

Die experimentelle Umsetzung gelang erst in den letzten Jahren mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie. Die mit diesem Lasertyp erreichbaren Wellenlängen liegen zur Zeit (d.i. Anfang 2004) im Bereich zwischen 3.5 und 141. Dieser Wellenlängenbereich wird durch andere Lasertypen so gut wie nicht erschlossen, daher sind QCLs hier nahezu konkurrenzlos. Zudem lassen sich Quantenkaskadenlaser, ebenso wie andere Halbleiterlaser, mit sehr kleinen Abmessungen herstellen.

Der Aufbau des Quantenkaskadenlasers basiert auf einem Halbleiterlasermaterial, das aus einer Vielzahl von Schichten besteht, deren Dicke im Bereich einiger Nanometer liegt. Dabei wird abwechselnd das Grundmaterial (z.B.GaAs) und dotiertes Material (z.B. AlGaAs) verwendet. Dadurch entstehen sogenannte Quantenfilme, und damit ein elektrisches Potential, das sich in Abhängigkeit vom Material räumlich ändert. Die darin entstehenden Quantenzustände der Elektronen können mit benachbarten Zuständen koppeln, wodurch diese aufspalten und sogenannte Minibänder bilden (s. Bändertheorie). Die Funktionsweise des Lasers hängt kritisch von der richtigen Abfolge unterschiedlicher Schichtdicken der Quantenfilme ab.

Senkrecht zu den Quantenfilmen wird eine Spannung angelegt. Nun können Elektronen durch die Quantenfilme hindurchtreten, wobei sie stets Quantenzustände einnehmen. Der für die Emission relevante Bereich besteht aus zwei unterschiedlichen Zonentypen, die sich mehrmals (z.B. 25mal) abwechselnd wiederholen, nämlich Emissionszone und Injektorbereich. Im Injektorbereich befinden sich Minibänder, die zur Zwischenlagerung von Elektronen dienen. Die Emissionszone kann zum Beispiel aus drei unterschiedlichen Energieniveaus bestehen. Elektronen gehen unter Emission eines Photons aus den höheren Niveaus in die niedrigeren über (s. dazu Laser unter dem Stichwort Dreiniveau). Neben dem Fabry-Perot-Resonator, der durch die Stirnflächen des Materials gebildet wird, wird zur Erzeugung monochromatischer Strahlung das DFB-Konzept (engl. distributed feedback) eingesetzt.

Anwendungsfelder für diese Lasertypen sind beispielsweise die Spurengasanalyse, die Freistrahlübertragungstechnik sowie die Medizintechnik.

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