بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله بر اساس معادلات نرخ دو سطحی یک الگوی عددی برای تحلیل لیزرهای آبشاری کوانتومی - - QCLs با کاواک بیرونی - EC - ارائه شده است. با استفاده از الگوی ارائه شده، مشخصههای پویا و ایستای یک EC-QCL محاسبه و تحلیل شدهاند.
نتایج نشان میدهند به دلیل بزرگتر بودن طول عمر فوتونهای کاواک بیرونی - در مقایسه با کاواک داخلی - ، تابش مود بیرونی بر تابش مود داخلی غالب میباشد. علاوه بر این، میتوان با تغییر طول عمر فوتونهای کاواک بیرونی که خود متأثر از طول فیزیکی کاواک بیرونی میباشد، طولموج تابشی لیزر را تنظیم نمود. نتایج حاصل از تحلیل گذرا در این مقاله با نتایج تجربی منتشر شده مطابقت میکنند.
-1 مقدمه
لیزرهای نیمه هادی به دو دسته لیزرهای دوقطبی و تک قطبی تقسیم میشوند. لیزرهای دوقطبی مبتنی بر بازترکیب الکترونهای نوار هدایت و حفرههای نوار ظرفیت در شکاف باند انرژی میباشند؛ در حالی که لیزرهای تک قطبی در عملکرد خود تنها از یک نوع حامل استفاده میکنند؛ از این رو تک قطبی نامیده میشوند
لیزرهای آبشاری کوانتومی - QCLs - جزء لیزرهای نیمه هادی تک قطبی محسوب میشوند که در آنها، فوتونها از طریق گذارهای نوری درون-نواری در چاههای کوانتومی نامتقارن تولید میشوند
لیزرهای آبشاری کوانتومی به خاطر تولید نور در طیف وسیعی از طولموجها 3 - تا 300 میکرومتر - در شناسایی گازها کاربرد فراوانی دارند و تنها لیزرهای نیمههادی هستند که در محدوده بالای مادونقرمز به عنوان منابع مؤثر نوری مورد استفاده قرار میگیرند. لیزرهای آبشاری کوانتومی با کاواک بیرونی - EC-QCL - محدودیت تنظیم لیزرهای آبشاری کوانتومی با فیدبک توزیعشده - DFB-QCL - را برطرف میکنند، بنابراین در میان لیزرهای آبشاری کوانتومی از جایگاه ویژهای برخوردارند.
به منظور بهبود عملکرد این دسته از لیزرهای نیمه هادی و کنترل مشخصههای ایستا و پویای آنها، تحلیل و شبیه سازی معادلات حاکم ضروری به نظر میرسد. در این تحقیق، یک لیزر آبشاری کوانتومی - مبتنی بر یک ساختار - InAlAs/InGaAs با استفاده از الگوی استاندارد معادلات نرخ مدلسازی و تحلیل شده است. در بخش دوم این مقاله، تئوری حاکم بر لیزرهای آبشاری کوانتومی با کاواک بیرونی ارائه میشود و نتایج در بخش سوم بحث میشوند.
-2 لیزرهای آبشاری کوانتومی با کاواک خارجی
محدوده تنظیم گستردهتر آنها میباشد. همچنین ساختارهای نامتجانس QCL ها که در آن چندین طول موج مختلف را در مراحل مختلف منتشر میکنند به عنوان راهی برای افزایش بیشتر محدودهی تنظیم EC-QCL ها ارائه شده است. سیستم مورد مطالعه در این مقاله یک EC-QCL است که در سال 2001 به طور تجربی ساخته شده است درشکل 1 نمای کلی یک EC-QCL نشان داده شده است. در کاواک بیرونی پرتو نور به توری فرستاده میشود سپس به طور مستقیم به تراشه QCL برمیگردد. همانطور که نشان داده شده است، یک ساختار EC-QCL از سه مؤلفه اصلی شامل یک لیزر آبشاری کوانتومی، یک لنز موازی ساز و یک توری - Grating - که به عنوان فیلتر انتخاب کننده طول موج در سیستم عمل میکند، تشکیل شده است.
شکل :1 نمای کلی EC-QCL مورد مطالعه در این مقاله.
-1-2 الگوی معادلات آهنگ در یک EC-QCL
معادلات نرخ دو سطحی بیان کننده دینامیک حاملها و فوتونها بهصورت زیر تعریف میشوند :
لیزرهای QCL با فیدبک توزیع شده با عملکرد در دمای اتاق در سال 1998 ساخته شدند که در طیف سنجی بسیار مفید هستند ؛ اما محدوده تنظیم آنها محدود و کمتر از %1 طول موج تابشی لیزر است که مزایای آنها را برای تحقیقات طیف سنجی محدود میسازد.
در روابط - 4 - - - 1 - ، n3 و n2 به ترتیب معرف چگالی سطحی حاملها در سطوح انرژی بالائی و پایینی لیزر، τ3 و τ2 طول عمر حاملها در ترازهای بالا و پائین، τ32 زمان واهلش فونونی حامل از سطح بالائی به سطح پائینی میباشد، 2ℎ معرف جمعیت غیر تعادلی حاملها در سطح پائینی لیزر، ضریب تابش خود به خودی و τSP بیانگر زمان تابش خودبهخودی میباشد، SFP و SEC به ترتیب معرف چگالی شار نوری مودهای کاواک داخلی و کاواک بیرونی میباشند.
در ادامه gF و gEC به ترتیب معرف بهره نوری مودهای کاواک داخلی و کاواک بیرونی میباشند، c/n بیانگر سرعت نور داخل کاواک n - معرف ضریب شکست نور در داخل کاواک - ، معرف نسبت طول مسیر نوری کاواک بیرونی به کاواک داخلی لیزر میباشد و NP بیانگر تعداد طبقات آبشاری استفاده شده در لیزر میباشد. در نهایت و
به ترتیب معرف تلفات کل مود تابشی کاواک داخلی و کاواک بیرونی میباشند. قابل ذکر است طول عمر فوتونهای کاواک بیرونی با تلفات کل کاواک بیرونی رابطه عکس دارد، بنابراین با افزایش طول کاواک بیرونی میتوان تلفات کل و درنتیجه طول عمر فوتون کاواک بیرونی را تعیین کرد.
تراز بالا - Level 3 - و تراز پائین - Level 2 - لیزر در پاسخ به یک جریان تزریقی پالسی با دامنه 1.9 A نشان داده شده است. در شکل 3 - ب - چگالی حجمی فوتونهای تولید شده در مود بیرونی و مود داخلی نمایش داده شده است. با توجه به اینکه جریان تزریقی کمی بالاتر از آستانه لیزر انتخاب شده است، میزان ریزش حاملها از تراز بالای لیزر به تراز پائین قابل رویت نمیباشد.
در شکل 4 - الف - و 4 - ب - به ترتیب تغییرات زمانی حاملها - در ترازهای بالا و پائین - و تغییرات زمانی فوتونهای تابشی - در مودهای بیرونی و درونی - به ازای یک جریان تزریقی با دامنه 2. 3 A - بالاتر از جریان آستانه لیزر - نمایش داده شده است. ملاحظه میگردد در لحظات اولیه اعمال پالس مود درونی شروع کننده تابش میباشد اما در انتها مود تابشی بیرونی غالب میشود. غلبه نمودن مود تابشی بیرونی بر مود تابشی درونی را میتوان بهطور مستقیم به بزرگتر بودن طول عمر فوتونهای بیرون کاواک نسبت به طول عمر فوتونهای درون کاواک نسبت داد.
شکل:2 مشخصه توان بر حسب جریان تزریقی در مودهای تابشی بیرونی و درونی.
-3 نتایج و بحث
در شکل2 توان خروجی مودهای تابشی بیرونی و درونی لیزر مورد مطالعه در حالت ماندگار نمایش داده شده است. ملاحظه میشود جریان آستانه لیزر حدود 1.9 A میباشد و بازده کوانتومی مود تابشی بیرونی بسیار بزرگتر از بازده کوانتومی مود تابشی داخلی میباشد - توجه داشته باشید: توان مود بیرونی در محدوده چند میلی وات و توان مود درونی در محدوده زیر یک میکرو وات تولید شده است - .
