بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله با استفاده از الگوی معادلات نرخ چهار سطحی، دینامیک حامل و فوتونها در لیزر آبشاری کوانتومی با تابش دو طولموجی، تحلیل میشود. در لیزرهای نیمه هادی، رفتار پویا و ایستای افزاره از اهمیت بالایی برخوردار است؛ لذا این تحقیق بر بررسی رفتار حالت گذرا و حالت ماندگار متمرکز شده است. نتایج حاصل از شبیهسازی در این مقاله نشان میدهد توان خروجی و جریان آستانه لیزر، متأثر از طول عمر فوتونها در داخل کاواک و همچنین زمانهای واهلش غیر نوری حامل در بین ترازهای الکترونی میباشد.
.1 مقدمه
لیزرهای آبشاری کوانتومی - QCL - جزء لیزرهای نیمههادی محدوده میانی و محدوده بالای مادون قرمز میباشند که فوتونها از طریق گذارهای نوری زیر نواری در چاههای کوانتومی تولید میشوند
در مقایسه با دیودهای لیزری مرسوم که گذارهای نوری بین الکترونها در نوار هدایت و حفرهها در نوار ظرفیت میباشد، در لیزرهای آبشاری کوانتومی گذارهای نوری بین زیر نوارهای موجود در نوار هدایت صورت میگیرد و این امر علاوه بر امکان کنترل طولموج توسط مهندسی ضخامت لایهها، ترابری الکترون ها نیز به خوبی مدیریت میشود
اصول عملکرد بر پایه ترابری حامل از طریق یک سری زیر نوار انجام میشود که اجازه میدهند تا الکترونها در تراز بالای لیزر انباشته شوند و از طرفی به سرعت از تراز پایین استخراج میشوند به این شرایط حصول وارونگی حامل اطلاق میگردد. تکقطبی بودن و وجه آبشاری مشخصههای منحصربهفرد این دسته از لیزرهای نیمههادی میباشند. پس بهطورکلی تمامی این تفاوتها به دو مشخصه منحصربهفرد این لیزرها برمیگردد؛ یکی تک قطبی بودن - یک حامل در ایجاد نور نقش دارد - و یکی دیگر طرح آبشاری بودن - بازیافت الکترون - میباشد که آن را در شکل - 1 - نشان دادهایم.
شکل :1 دو مشخصه منحصربهفرد لیزرهای آبشاری کوانتومی، الف - تکقطبی بودن ب - ساختار آبشاری.
یک منبع نوری چند طولموجی همانند لیزرهای تک طولموجی از یک محیط فعال برای فراهم نمودن بهره، یک سیستم دمنده - پمپ - برای تزریق حامل به ناحیه فعال و یک فیدبک مثبت برای تقویت نور تشکیل شده است؛ با این تفاوت که ناحیه فعال کوانتومی آن بهگونهای طراحی میشود که دو یا چند طولموج در آن بتواند به صورت همزمان تقویت شود
در شکل - 2 - ، یک تابش دو طولموجی در ساختار لیزر آبشاری کوانتومی را مشاهده میکنید. در شکل -2 الف مشاهده میشود که الکترونها در هر دو طولموج ساطعشده، از ترازهای بالاتر به ترازهای پایینتر ریزش میکنند که سبب تولید فوتون شده است. در شکل -2 ب نیز اندازه طولموجهای ساطع شده از لیزر دو طول موجی به همراه میزان توان نوری آنها را مشاهده میکنید..
شکل : - 2 - نمونهای از یک لیزر با تابش دو طولموجی. الف - دو طولموج ساطع شده از لیزر که با تزریق جریان و ریزش الکترون به ترازهای پایینتر، منجر به تولید فوتون میگردند. ب - نمودار اندازه توان خروجی-طولموج برای تابش دو طول موجی.
.2 الگوی تئوری
لیزر آبشاری کوانتومی که در این مقاله مورد تحلیل و بررسی قرارگرفته، توانایی تولید دو گسیل نوری بهصورت همزمان و در طولموجهای 10,5 m و 8,9 m را دارد.[4] نمای سادهشده طولموجهای گسیلشده در این ساختار را در شکل - 3 - مشاهده میکنید. با اعمال یک جریان با چگالی J به سطح بالای ترازهای انرژی، الکترونهای موجود در این قسمت بهصورت نوری و غیر نوری - عموماً به صورت فونونهای طولی واهلش مییابند. قابل ذکر است گذار نوری 4 2 متناظر با تابش طولموج کوچکتر - 8.9ʽm - و گذار نوری 4 3 متناظر با تابش طولموج بزرگتر - 10.5ʽm - میباشد.
شکل - : - 3 لیزر آبشاری کوانتومی با تابش دو طولموج
روشهای متعددی برای آنالیز و مدلسازی لیزرهای آبشاری کوانتومی ارائهشده است. هرکدام از این روشها دارای الگوریتمهای مختص به خود با درجههای متفاوتی از پیچیدگی هستند. روشهایی مانند الگوی معادلات نرخ، روش مونتکارلو، روش ماتریس چگالی و روش تابع گرین ازجمله پرکاربردترین شیوهها در مدلسازی و تحلیل لیزرهای آبشاری کوانتومی میباشند
.1,2 الگوی معادلات نرخ چهار سطحی
یکی از روش های مرسوم در تحلیل لیزرهای نیمه هادی استفاده از الگوی معادلات نرخ توصیف کننده دینامیک حامل و فوتون می باشد .[5] این الگو روشی نیمه کلاسیک است و مزیت معادلات نرخ در سادگی توصیف روابط فیزیکی حاکم بر حامل و فوتون در لیزرهای نیمه هادی است. در نهایت، معادلات نرخ چهار سطحی توصیف کننده دینامیک حامل ها و فوتون به صورت روابط زیر بیان می شوند
