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LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
QUANTUM CASCADE LASER (QCL)
Laser de Cascada Cuántica
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
Ciclo de Seminarios de Física de Láseres
David Romero Antequera
2do. Término Maestría en Óptica
México, Puebla. 2007
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
• El láser de QCL fue logrado en 1994 en los
laboratorios de Bell por Capasso, Alfred
Cho y sus colaboradores.
• Este láser es de alta potencia y puede emitir
la luz sobre una amplia gama del espectro
electromágnetico.
• La estructura cristalina de un laser de QCL
contiene hasta 1000 capas que se alternan
entre dos diversos semiconductores.
Alfred Y Cho
• Adaptando el grueso de estas capas, la
longitud de onda del láser se puede variar a
través de una gama sin precedente usando
la misma combinación de materiales.
Federico Capasso
*La idea originalmente fue planteada por Kazarinov y Suris (1971)
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Láseres de semiconductor comunes
Los electrones de la banda de conducción se recombinan con los huecos
en la banda de valencia, emitiendo un fotón en el proceso
www.wtec.org/loyola/nano/05_04.htm
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Concepto original y predicción teórica
 Niveles de energía de los
electrones en pozos cuánticos
fuertemente dependientes del
grosor de las capas
 Fotones láser creados por saltos
de los electrones entre los niveles
de energía (por lo tanto la
longitud de onda se determina al
elegir el grosor de las capas )
 Muchos fotones se crean por
brincos en cascadas a través de
los diferentes posos cuánticos.
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Inyectores, minigaps y minibandas
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Ventajas en comparación con Láseres de
Semiconductor Tradicionales
Semiconductores Tradicionales
Quantum Cascade Laser
La interacción electrón-hueco se
agota en cada emisión
Los pozos cuánticos no se agontan por
emisión de fotones
Se basan en una interacción que
emite un sólo fotón. Requiere dos
portadores
Se basan en un sólo tipo de portadores.
Pueden emitirse muchos fotones por electrón
La longitud de onda se determina
por el gap de energía del material.
Diferentes longitudes de onda
requieren de materiales diferentes
La longitud de onda depende del ancho de las
capas. Se pueden conseguir una variedad
inmensa de longitudes de onda utilizando los
mismos materiales.
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Ancho del rango de longitudes de onda de un láser QCL.
El
láser
QCL
cubre
completamente el infrarojomedio
(3.4-17μm)
por
adaptación del grueso de las
capas de el mismo material.
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Alta potencia pico al aumentar el número de pasos
M. Razeghi, S. Slivken. Jour. Kor. Phys. Soc. 42, S637 (2003)
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Laser CW
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H. Page. SPIE Europe Symposium (2005)
5.2 mm
1.5 mm de largo
12 mm de ancho
Temperatura máxima:
20°C (115 K)
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Guías de onda
M. Razeghi, S. Slivken. Jour. Kor. Phys. Soc. 42, S637 (2003)
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Aplicaciones: Evaluación de Transporte Aéreo
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
Más Aplicaciones
• Monitoreo de Procesos Industriales
• Contaminación en líneas de fabricación de semiconductores
• Procesamiento de alimentos
• Diagnósticos de combustiones
• Aplicaciones Médicas
• Diagnósticos médicos
• Contaminantes Biológicos
• Detección de drogas o explosivos
• Detección de agentes biológicos
• Telecomunicaciones
LÁSERES DE CASCADA CUÁNTICA
CONCLUSIONES
• Los láseres de cascada cuántica presentan una
excelente alternativa para el mediano infrarrojo.
• El proceso se basa en utilizar un electrón para producir
muchos fotones en un ciclo.
• La variedad de longitudes de onda que pueden emitirse
con un mismo material representan una enorme ventaja.
• Puede emitirse a temperaturas ambiente, con altas
potencias y eficiencias relativamente altas.
• Hay tantas posibles aplicaciones que le convierte en un
área interesante de tecnología.
• A nivel teórico, experimental y de ingeniería, queda
mucha tela por cortar.