Kuantum kuyusu lazeri

Kuantum kuyusu lazeri

Kuantum kuyusu lazeri bir lazer diyottur ve bu diyotun aktif bölgesi o kadar dardır ki kuantum hapsi oluşur. Bu lazerden yayılan ışığın dalgaboyu sadece kullanılan malzemenin band aralığına bağlı olmak yerine, aktif bölgenin genişliğine de bağlıdır. Böylece aynı yarı iletken kullanılarak yapılmış normal diyottan çok daha kısa dalgaboyu elde edilebilir. Ayrıca kuantum kuyusu lazerlerin verimliliği de klasik lazerlerden fazladır; çünkü seviye yoğunluğu fonksiyonu basamak yapısındadır.

Kuantum kuyusu kavramının kökeni

1972’de Bell Laboratuvarlarının Yarı iletken Elektroniği Araştırma Bölümü Başkanlığına yeni atanmış bir fizikçi Charles H. Henry, tümleşik optik ve optik devrelerin üretimi konusuna ilgi duyuyordu.
1972’nin sonlarına doğru dalga kılavuzlarıyla ilgili bir problemle uğraşırken, ikili heteroyapının sadece ışıklar için değil aynı zaman da elektronlar içinde bir dalga kılavuzu olduğunu fark etti. Daha sonra, ışığın levha şeklinde bir dalga kılavuzunda hapsolmasıyla, elektronların ikili heteroyapıdaki potansiyel kuyularında hapsolmasının arasında tam bir analoji olduğunu gördü.
Henry fark etti ki, potansiyel kuyularının ayrık seviyeleri olmalıydı. Basit bir tahminle eğer heteroyapının aktif katmanı birkaç on nanometre kadar ince ise, elektron seviyeleri birkaç on mili-elektron volt kadar ayrık olmalıydı. Bu yapı şu an kuantum kuyusu olarak adlandırılır.
Henry daha sonra bu kuantizasyonun nasıl optik emilimi değiştireceğini hesapladı. Optik emilim yapının kenarlarında doğru yumuşak (sürekli) bir biçimde artmak yerine belli basamaklar halinde artıyordu.
Kuantum kuyusu (ya da ikili-heteroyapılı lazer), ilk olarak 1963'te Herber Kroemer “Proceedings of the IEEE”’de ve eşzamanlı olarak U.S.S.R’da Zh. I. Alferov ve R.F. Kazarinov tarafından öne sürülmüştür. Alferov ve Kroemer 2000’de yarı iletken heteroyapısı üzerine çalışmalarından dolayı Nobel Ödülü’nü kazandılar.

Kutantum kuyularının deneysel doğrulaması

1973'te, Henry bölümünde bir fizikçiye, R. Dingle, bu öngörülen basamakları aradığını söyledi. Çok ince heteroyapılar W. Wiegmann tarafından “molecular beam epitaxy” kullanılarak üretildi. Bu basamakların çarpıcı etkileri 1974'te basılan makalede gözlemdi.

Kuantum kuyusu lazerinin icadı

Bu deneyin öngörülen kuantum kuyusu enerji seviyelerinin gerçek olduğunu göstermesinden sonra, Henry bir uygulama düşündü. Kuantum kuyusu yapısının yarı iletkenlerdeki seviye yoğunluğunu değiştirebileceğini fark etti, ve bunun gelişmiş yarı iletken lazerine (lazer eşiği daha düşük olan) olanak verdiğini gördü. Ayrıca fark etti ki, lazer dalgaboyu sadece kuantum kuyusunun genişliği değiştirilerek, değiştirilebilir.(klasik lazerlerde kullanılan malzemenin tamamının değiştirilmesi gerekiyordu.) Böyle bir lazerin o günlerde kullanılan ikili heteroyapıdaki lazarlere göre üstün bir performansı olacağını düşünüyordu.
Dingle ve Henry bu yeni tip yarı iletken lazerin için bir patent aldılar. Bu lazer bir çift geniş bant aralıklı katman arasına sıkışmış aktif bölgeden oluşuyordu. Aktif bölge 1 ila 50 nanometre arasında değişiyordu, böylece elektron kuantum seviyelerini ayırabilecek kadar ince oluyordu. Bu lazerin dalgaboyları aktif bölgenin kalınlığının değiştirilmesiyle ayarlanabiliyordu. Patent Kasım 21, 1976 da "Quantum Effects in Heterostructure Lasers”(heteroyapılı lazerde kuantum etkileri) başlığı altında  verildi, U.S. Patent No. 3,982,297.
Kuantum kuyusu lazerleri eşik değeri aşmak için daha az elektrona ve elektron deliklerine ihtiyac duyarlar, klasik ikili heteroyapıdaki lazerlere göre. Çok iyi tasarlanmış bir lazer oldukça düşük eşik akımına sahip olabilir.
Bunlara ek olarak, kuantum verimliliği (çıkan protonun giren elektrona oranı) elektron ve elekron delikerinin optik emilimi tarafından kısıtlandığı için çok yüksek verimlilikte kuantum kuyusu lazerleri elde edilebilir.
Aktif katmandaki azalmayı dengelemek için, az sayıda özdeş kuantum kuyuları sıklıkla kullanılar. Buna çoklu-kuantum kuyusu lazeri denir.

İlk gösterimler

“Kuantum kuyusu lazeri” terimi ilk olarak 1970de Nick Holonyak ve öğrencileri tarafındanUniversity of Illinois at Urbana Champaign’de kullanılmıştır. İlk kuantum kuyusu lazerini 1977’de gösterdiler. 1970’lerinde sonlarında ve 1980’lerin başlarında Bell laboratuvarlarında, W.T. Tsang bu lazerin oldukça düşük eşik akımlara ve yüksek verime sahip olduğunu gösterdi.
Kuantum kuyusu kavramının hikâyesi, deneysel doğrulanması ve kuantum kuyusu lazerinin icadı Henry tarafından "Quantum Well Lasers" kitabına önsöz olarak anlatılır.