Quantenkaskadenlaser

Quantenkaskadenlaser (QCL) sind unipolare Halbleiterlaser, die Licht aus Intersubbandübergängen in einer mehrstufigen Quantentopfstruktur gewinnen. Das Elektron wandert durch eine Kaskade wiederholter aktiver Stufen, wobei in jeder Stufe ein Photon erzeugt wird. Dadurch kann pro durchlaufendem Elektron eine Reihe von Photonen entstehen, was eine hohe spektrale Flexibilität und Leistung im mittleren bis langen Infrarotbereich ermöglicht.

Der Aufbau beruht auf einer Reihe wiederholter Gain-Stufen in einer Halbleiter-Superlattice. Typische Materialsysteme sind GaAs/AlGaAs für mittlere Infrarotbereiche und InP-basierte Systeme für längere Wellenlängen. Die Strukturen werden üblicherweise durch Dünnschichttechniken wie Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder Metallorganische Abscheidung (MOCVD) hergestellt. Zwischen aktiven Stufen liegen Injector- und Sammelschichten, die Elektronen effizient in die nächste Stufe pumpen.

QCLs unterscheiden sich von herkömmlichen Lasern dadurch, dass der Laservorgang Intersubbandübergänge innerhalb des Leitungsbandes nutzt. Die Emissionswellenlänge ergibt sich primär aus den Dicken der Quantentöpfe und Barrieren, wodurch Wellenlängen vom mittleren Infrarot bis in den Terahertz-Bereich abgedeckt werden. Der Betrieb erfordert oft hohe Stromdichten; Kühlung ist üblich. Raumtemperaturbetrieb ist abhängig von Materialsystem und Wellenlänge; viele Geräte arbeiten bei Kühlung, während spezielle Designs auch im Raumtemperaturbereich funktionsfähig sind.

Anwendungen umfassen Spektroskopie, Gasanalyse, Umweltüberwachung, industrielle Prozessüberwachung sowie medizinische Diagnostik und Freiraumkommunikation im Infrarotbereich. Die Technologie hat die Mid-IR-Photonik bereichert, indem sie breitbandig einstellbare, hochbrillante Quellen für spezifische Molekülabsorptionen bereitstellt. Aktive Forschungsfelder sind breitere, stabilere Strukturen, höhere Leistung und der Terahertz-Bereich.