بخشی از مقاله
خلاصه
این مقاله به تحلیل و شبیه سازی یک لیزر آبشاری کوانتومی - QCL - تحریک شده با پمپ نوری خارجی در محدودهی تراهرتز پرداخته است. الگوی استفاده شده در این مقاله بر اساس الگوی استاندارد معادلات نرخ چهارسطحی حاکم بر لیزرهای آبشاری کوانتومی میباشد. با استفاده از الگوی استفاده شده، مشخصههای ایستا، پویا و رفتار فرکانسی لیزر آنالیز و محاسبه میشوند. نتایج حاصل از تحلیل ایستا نشان میدهند در شرایط پمپ نوری ثابت، با افزایش جریان تزریقی، بازده تبدیل و پمپ به نور تراهرتز افزایش مییابد. علاوه بر این تحلیل حاصل از نتایج گذرا نشان میدهد که تأخیر زمانی تولید نور تراهرتز، با افزایش جریان تزریقی کاهش مییابد. شبیه سازیهای این مقاله با نتایج تئوری منتشر شده مطابقت میکند.
کلمات کلیدی: پمپ نوری خارجی، محدوده تراهرتز، لیزر آبشاری کوانتومی، معادلات نرخ
مقدمه
طی سالیان اخیر، با ارائه انواع کاربردهای عملی در زمینههایی نظیر تصویربرداری، حسگرهای نوری و گازسنجی، لیزرهای آبشاری کوانتومی تراهرتز توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب نمودهاند .این منابع نوری منسجم بهصورت الکتریکی به ادوات نیمه هادی تزریق شده تا جایی که عمل نوردهی در آنها، از طریق انتقالات الکترونیکی درون نواری بین سطوح انرژی کوانتیزه شده در باند هدایت رخ میدهد. برخلاف لیزرهای دیودی مرسوم، طول موج نور منتشرشده در لیزرهای آبشاری کوانتومی، از طریق کنترل مهندسی ضخامت لایه و یا طراحی ساختار کوانتومی معمول به جای شکاف باند کنترل میشود.
ساختار یک لیزر QCL ترا هرتزیمعمولاً از دهها تا صدها طبقه یکسان از مناطق فعال و تزریق کننده تشکیل شده و از اولین حضور خود در منطقه فعال ابر شبکه ، محققان طرحهای جدیدی را به منظور بهبود عملکرد دمایی برای این افزارهها ارائه کردهاند. دو عامل افزایش در تعداد کانالهای غیر تابشی و بازتابش حرارتی با دما، باعث از بین رفتن وارونگی جمعیت بین حالتهای درگیر در لیزردهی میشوند. پس در نتیجه با افزایش دما، بهره وری مطلوب لیزرهای QC تراهرتز بهطور محسوس کاهش مییابد.
به عبارت دیگر، ایجاد یک منبع لیزرQC تراهرتز که قادر باشد در دمای اتاق کار کند، از طریق تولید فرکانسهای مختلف توسط دو عدد لیزر QC نیمه مادون قرمز محقق میشود و با این حال، اشکال اصلی این گزینه، توان خروجی پایین آن است - کم تر از 215 میکرو وات - و.طراحی جالب دیگری که اخراًی توجه بسیاری از دانشمندان را به خودش جلب کرده، به اصطلاح تحریک الکتریکی لیزر با پمپ نوری نام گرفته است؛ که در حال حاضر به عنوان یک روش جایگزین برای بهبود عملکرد درجه حرارت در نظر گرفته میشود. در افزارههایی که از این استراتژی استفاده میکنند، مشکلات مرتبط با کانالهای جریان پارازتیک و بازتابش حرارتی، هر دو باهم بهطور همزمان کاهش مییابند.
طرح یک استیج از یک لیزر آبشاری کوانتومی QCL تراهرتزی THz با تحریک نوری خارجی. پیکان موج دار - توپر - : جذب پمپ، پیکان موجی خط چین: بازیافت پمپ را نشان میدهد. در این مقاله با ارائه یک سیستم چهار سطحی برای ساختار آبشاری کوانتومی که توسط پمپ نوری تحریک شده است، به بررسی رفتار پویا و ایستای این لیزر پرداخته میشود. ساختار چهار سطحی طراحی شده را نمایش میدهد. در مرحله اول و با اعمال پمپ نوری خارجی به تراز اول انرژی، الکترونهای تحریک شده از این تراز به سمت تراز دوم برانگیخته میشوند. با تحریک الکترونهای موجود در تراز دوم و همچنین افزوده شدن حاملهای تراز اول توسط پمپ نوری، پراکندگی تابشی و غیر تابشی از سطح دوم به سطح سوم صورت میپذیرد.
در نتیجه میتوان بیان کرد که با افزایش مقدار پمپ نوری خروجی و همچنین افزایش جریان تزریقی به ساختار کوانتومی، شدت نور تراهرتزی ایجاد شده در افزاره افزایش مییابد.برای آنالیز قابلیتهای این طرح جدید و دستیابی به بهره نوری، نویسندگان مختلف رویکردهای نظری متفاوتی را اتخاذ کردهاند: تئوری میکروسکوپیک بر اساس معادلات ماکسول بلوخ ، راه حل مستقل شرودینگر پواسون و در نهایت راه حل عددی مستقل همزمان شرودینگر-پواسون و معادلات نرخ از جمله روشهای نظری برای تحلیل رفتار لیزر بودهاند. هدف ما در این مقاله تحلیل و آنالیز معادلات نرخ چهار سطحی حاکم بر افزاره میباشد که تاکنون در مطالعات و مقالات مطرح شدهاند و هنوز نیاز به انجام مطالعات تحلیلی دقیقتری دارند.
لیزر آبشاری کوانتومی تراهرتزی با استفاده از یک پمپ نوری خارجی
طی سالیان اخیر، با ارائه انواع کاربردهای لیزرهای QC و با اعمال تحریک الکتریکی از طریق پمپ نوری خارجی به لیزرهای مادون قرمز میانی، اهمیت مطالعه این دسته از لیزرها افزایش چشمگیری داشته است. این روش علیرغم هزینه بالا، هنوز هم مورد استفاده قرار گرفته و دارای مزیت قابل توجهی است برای: الف - مطالعه و تحقیق افزارههای لیزری آبشاری کوانتومی QCLs با حداقل هزینه محاسباتی و ب - تمامی نتایج عمومی این روش میتوانند به طور مستقیم در مطالعات و تحقیقات دیگر بکار روند و تنها مجهولات در این روش پارامترهای نوظهوری هستند که میتوان آنها را از آزمایشها استخراج کرده و یا حتی از طریق اصول اولیه محاسبه کرد.
مهمترین چالش در لیزرهای QC در محدوده تراهرتزی بحث وارونگی جمعیت و اعمال تزریق جریان به ترازهای ناخواسته به دلیل نزدیک شدن سطوح ترازهای انرژی میباشد. بدین منظور با ارائه رویکردهای غیرخطی چون پراکندگی رامان، تولید هارمونیکهای دوم و سوم و ورود به محدوده تراهرتز، به رفع این نقصها به کار برده شد. در این مقاله نیز با استفاده از مدل غیرخطی حاکم بر معادلات سیستم، برای حالت ماندگار، به نتایج بسته و محدودی برای پارامترها دست مییابیم که شامل چگالیهای الکترونها در سطوح مختلف انرژی، چگالی وارونگی جمعیت و شدت پرتو منسجم تراهرتزی و راندمان نور خارجی . ما همچنین به دلیل آنکه برخی از پارامترهایمان بهصورت انتخابی از مقالات و نشریات اقتباس گردیده بود، الگوی خود را از نظر عددی مورد بررسی قرار دادهایم.
الگوی معادلات آهنگ در لیزر آبشاری کوانتومی مورد مطالعه
در الگوی معادلات نرخ، رفتار الکترونها در یک سیستم کوانتومی به روش نیمه کلاسیک توصیف میشود به گونهای که تعداد لحظهای حاملها در ترازهای چهارگانه به ترتیب N1، N2، N3 و N4 تعریف میشوند و فوتونهای ساطع شده نیز توسط معرفی میشوند. در نهایت معادلات نرخ توصیف کننده دینامیک حامل و فوتون می باشد. در این روابط IP شدت جریان پمپ نوری خارجی تزریق شده به سیستم میباشد و ITHz شدت نور تراهرتز خروجی لیزر QC معرفی شده است. از طرفی L و W طول و عرض کاواک لیزر، P طول عمر فوتون، زمان واهلش گسیل خودبهخودی هستند.
