Półprzewodnikowy laser kaskadowy z Łukasiewicz - IMiF

Lasery kaskadowe zamontowane w hermetycznych obudowach typu HHL (high heat load), zawierających również element/ogniwo Peltier i czujnik temperatury.

Kwantowy laser kaskadowy (Quantum Cascade Laser) to rodzaj unipolarnego lasera półprzewodnikowego, emitującego promieniowanie w zakresie od średniej do dalekiej podczerwieni. Źródłem promieniowania są elektrony, które relaksują pomiędzy podpasmami w pasmie przewodnictwa emitując fotony. W emisji fotonów biorą udział tylko elektrony - stąd określenie unipolarny, w odróżnieniu od laserów półprzewodnikowych bipolarnych, w których emisja następuje w wyniku rekombinacji elektronów z dziurami. Pierwsze QCLe, zademonstrowane w Łukasiewicz-IMiF w 2009 roku, wykonane były z arsenku galu i alumino-arsenku galu (GaAs/AlGaAs). Emitowały one impulsy promieniowania podczerwonego o długości fali 9 mikrometrów. W temperaturze pokojowej ich moc sięgała kilkudziesięciu miliwatów, a w warunkach chłodzenia kriogenicznego - pięciu watów.

Obecnie QCLe umożliwiają konstruowanie przenośnych detektorów wykrywających śladowe ilości substancji chemicznych, np. metanu w kopalniach czy niebezpiecznych gazów w przemyśle chemicznym. W medycynie lasery kaskadowe mogą wykrywać markery chorobowe w wydychanym powietrzu, czy monitorować poziom glukozy w organizmie.  

'Pierwsze badania nad laserami kaskadowymi zaczęliśmy prowadzić w 2005 roku' — mówi dr inż. Kamil Pierściński, lider Grupy Badawczej Fotonika Podczerwieni w Łukasiewicz - Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki. — 'Opracowanie tej technologii było zadaniem złożonym i wymagało opanowania szeregu elementów składowych, począwszy od wzrostu materiału półprzewodnikowego po system wytwarzania przyrządów i ich charakteryzacji. Skomplikowane projekty trwały długo i pochłaniały duże nakłady finansowe. Niemniej jednak, dzięki pracom prowadzonym w Łukasiewicz - IMiF, Polska należy do państw posiadających własną technologię laserów kaskadowych. Dołączyliśmy do nielicznego grona laboratoriów światowych, które mogą wytwarzać tego typu urządzenia' — podkreśla z dumą dr inż. Pierściński. — 'W Łukasiewicz - IMiF prowadzimy badania nad przyrządami fotonicznymi wykorzystującymi zakres promieniowania nazywany średnią podczerwienią. Niewidzialne dla ludzkiego oka otacza nas z każdej strony, ponieważ emitowane jest przez znajdujące się dookoła przedmioty. Zjawisko emitowania promieniowania przez przedmioty o określonej temperaturze (tzw. promieniowanie cieplne lub termiczne) zostało wykorzystane np. w termometrach bezdotykowych. Własności światła podczerwonego są inne niż światła widzialnego i wiele materiałów przezroczystych dla światła widzialnego jest całkowicie nieprzezroczystych w zakresie podczerwieni, np. szkło. 

Do niedawna prowadzenie tego rodzaju badań wiązało się z koniecznością dostępu do wyrafinowanej aparatury i przy konieczności użycia tego źródła światła wybór źródeł promieniowania był mocno ograniczony. Przełom nastąpił w momencie opracowania unikatowego i bardzo małego półprzewodnikowego lasera kaskadowego. Jego typowe wymiary to 2-4 mm długości i 0.5 mm szerokości, czyli mniej więcej tyle, ile mierzy komar. Pomimo tego, że QCL wymaga oczywiście zasilania i chłodzenia, możliwe stało się już skonstruowanie układów pomiarowych, które zmniejszyły się do rozmiaru walizki. Opcja zasilania z akumulatora czyni te przyrządy bardzo uniwersalnymi źródłami promieniowania w podczerwieni.'

Kwantowe lasery kaskadowe to periodyczne struktury złożone z wielu, nawet kilkuset warstw półprzewodnikowych tworzących tzw. supersieć. Grubość tych warstw zmienia się w starannie zaprojektowany sposób i zazwyczaj wynosi kilka nanometrów. Do ich osadzania używa się techniki zwanej epitaksją z wiązek molekularnych. Energia emitowanego promieniowania nie zależy od materiału, lecz od geometrii supersieci, czyli od układu i grubości periodycznych warstw półprzewodnikowych. Elektron wstrzyknięty do pierwszego okresu tuneluje w górny obszar pasma przewodnictwa. Chwilę później przeskakuje na niższy poziom, wciąż znajdujący się w paśmie przewodnictwa (przejście wewnątrzpasmowe). Podczas przeskoku dochodzi do emisji fotonu. Następnie elektron tuneluje w górny obszar pasma przewodnictwa kolejnego okresu supersieci i proces się powtarza. Odstęp między stanem wzbudzonym, a podstawowym, w ramach pasma przewodnictwa, można zmieniać, regulując m.in. grubość warstw.

'Promień lasera kaskadowego może być odczuwalny i jest groźny, zwłaszcza dla oka' — mówi dr Kamil Pierściński — 'ale aby tak się stało, promieniowanie musi spełniać szereg warunków, począwszy od właściwej długości fali, która jest absorbowana w tkankach (lub wodzie znajdującej się w komórkach), po odpowiednie natężenie wiązki (moc lasera), jej wielkość i zogniskowanie, a także czas ekspozycji. Lasery kaskadowe znajdują zastosowanie zarówno cywilne, np. w medycynie czy komunikacji optycznej, jak i w zakresie wojskowej ochrony bezpieczeństwa państwa i społeczeństwa. Korzystać może z nich każdy, ale pod warunkiem, że nie zacznie ich używać niezgodnie z prawem. Dotyczy to również pointerów laserowych, którymi ludzie np. świecą w samoloty oślepiając i dezorientując pilotów.

W diagnostyce medycznej QCL można używać do oznaczania markerów różnych chorób, np. astmy w wydychanym powietrzu albo poziomu glukozy w organizmie bez potrzeby nakłuwania skóry, poprzez analizę absorpcji promieniowania przez glukozę dzięki sondzie znajdującej się na skórze pacjenta. Możliwe też jest wykrywanie wirusów w pomieszczeniu. Oczywiście każda z tych czynności może być wykonana dzięki systemom optoelektronicznym wykorzystującym lasery bądź diody elektroluminescencyjne (LED – to dezynfekcja; diody UV świetnie się sprawdzają w niszczeniu zarazków i są już stosowane komercyjnie). Kolejne zastosowanie to komunikacja w otwartej przestrzeni (FSO), systemy te wykorzystywane są np. przez policję i urzędy państwowe.'

Specyfika laserów QCL powoduje, że względnie łatwo zaprojektować strukturę półprzewodnikową emitującą fale elektromagnetyczne określonej długości. 

'W niedalekiej przyszłości można się spodziewać wdrożenia laserów kaskadowych do produkcji, na początku pewnie małoseryjnej i oczywiście potem ich komercjalizacji' — zapewnia dr Kamil Pierściński. — 'Technologia ta rozwija się dynamicznie i z pewnością nie odkryliśmy jeszcze wszystkich możliwości laserów kaskadowych. Już teraz jednak wiemy, że urządzenia na pewno otwierają drogę do obiecujących zastosowań przemysłowych i medycznych. Współpracujemy w tym zakresie z różnymi firmami. Obecnie w Instytucie realizujemy projekt strategiczny finansowany przez NCBR o akronimie SENSE: 'Opracowanie technologii struktur dla jednomodowych laserów kaskadowych do zastosowań w układach optycznej detekcji gazów'. Rozwijamy go razem z firmą Airoptic, Politechniką Warszawską, Wojskową Akademią Techniczną, Politechniką Wrocławską i Politechniką Rzeszowską.'  

Laboratorium Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz

Opracowała: Agnieszka Kubasik