Il laser a cascata quantica

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PAVIA
Scuola Avanzata di Formazione Integrata
IL LASER A CASCATA QUANTICA: PRINCIPI DI
FUNZIONAMENTO E DISPOSITIVI COMMERCIALI
Tesina di Miglierina Riccardo relativa al corso “Nanoscienze e nanotecnologie”
Anno Accademico 2001/2002
Il laser a cascata quantica: principi di funzionamento e dispositivi commerciali
1. INTRODUZIONE
AL
LASER
A
CASCATA
QUANTICA
E
PRINCIPALI
APPLICAZIONI
Il laser a cascata quantica, sviluppato a partire dal 1994 dal gruppo di ricerca del Prof. F.
Capasso presso i Bell Laboratories, New Jersey, rappresenta una delle più interessanti realizzazioni
pratiche nel campo delle cosiddette “Nanotecnologie”, ovvero particolari tecniche di
ingegnerizzazione dei materiali le quali permettono di deporre sottilissimi strati di semiconduttore
(tramite MBE, Molecular-Beam Epitaxy, ovvero epitassia a fascio molecolare), fino ad ottenere
spessori paragonabili alle dimensioni della singola molecola (circa 0,25nm), [1]-[2].
Tali tecnologie, ideate attorno la fine degli anni ’60 e tuttora largamente utilizzate per la
realizzazione di dispositivi commerciali di grande successo quali i laser a “buca quantica” per le
comunicazioni ottiche, hanno permesso di realizzare una serie di materiali artificiali le cui proprietà
fisiche possono essere alterate semplicemente variando parametri di tipo geometrico, ovvero
aumentando o diminuendo lo spessore di uno strato.
Questo risultato e’ decisamente interessante e presenta una serie di notevoli vantaggi
tecnologici:
•= Le tecniche di realizzazione dei materiali possono essere in qualche modo “standardizzate”,
poiché nel processo vengono variate solo le proprietà geometriche lasciando invariata la
tipologia di materiale semiconduttore utilizzato; non e’ dunque necessario cambiare
completamente la tecnologia passando da un’applicazione pratica ad un’altra;
•= E’ possibile creare materiali completamente nuovi (ovvero non reperibili direttamente in natura)
che soddisfino in modo completo alle proprie necessita’ realizzative;
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•= E’ possibile creare materiali alternativi a quelli convenzionalmente utilizzati, con il vantaggio di
ottenere sia una semplificazione dei processi tecnologici, che una maggiore robustezza e
affidabilità del prodotto finale.
Il laser a cascata quantica, unendo ai vantaggi appena elencati la tecnica di
“ingegnerizzazione delle bande”, si e’ affermato come un dispositivo di elevato interesse pratico
poiché ha permesso di realizzare sorgenti laser affidabili con emissione di luce nel “medio
infrarosso” (ovvero radiazione con lunghezza d’onda compresa tra 2 e 20 µm) evitando di utilizzare
materiali semiconduttori di difficile lavorazione, quali i sali di piombo; dal punto di vista
commerciale, questo risultato e’ di elevatissimo interesse per le sue possibili applicazioni in
moltissimi campi, [1]-[2]:
♦= Controllo della concentrazione di gas prodotti in determinati processi industriali: infatti, il
“medio infrarosso” e’ stato definito come “l’impronta digitale” delle molecole dei gas e dei
vapori. Moltissimi composti gassosi (esempi tipici sono il monossido di carbonio (CO), il
metano (CH4), l’ammoniaca (NH3) l’anidride solforosa (SO2)) assorbono la luce in questa
gamma di lunghezze d’onda, con il vantaggio che l’atmosfera risulta esservi quasi
completamente trasparente: avendo dunque a disposizione una sorgente laser adeguata ed
utilizzando particolari tecniche di spettroscopia, e’ possibile rivelare la presenza di tali composti
chimici anche in percentuali ridottissime (nell’ordine delle parti per miliardo). In più, tale
rivelazione avviene senza bisogno di contatto fisico fra il sensore ed il gas stesso, il che
permette di estendere il suo utilizzo anche al monitoring di composti chimici corrosivi;
♦= Controllo senza contatto della produzione di composti tossici ed inquinanti tramite la tecnica
LIDAR (LIght Detection And Ranging);
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♦= Rivelazione di composti gassosi prodotti in processi chimici illeciti o legati all’industria bellica;
♦= Realizzazione di sensori utili per il miglioramento del processo di combustione nei motori e per
il controllo delle emissioni delle marmitte catalitiche;
♦= Applicazioni mediche non invasive; e’ infatti possibile diagnosticare alcuni tipi di cancro del
colon (oppure anche il diabete e l’ulcera) tramite una semplice analisi del respiro del paziente;
♦= Comunicazioni ottiche nello spazio libero (FSO, Free-Space Optics), [3];
♦= Sensori anticollisione per veicoli; per questa applicazione e’ molto importante che la radiazione
utilizzata non sia assorbita dall’atmosfera;
♦= Contromisure militari; per esempio, laser che emettono tra 3 e 5 µm potrebbero essere utilizzati
per “accecare” i sensori dei missili a ricerca di calore;
♦= Sonde spaziali per la rivelazione di tracce gassose.
Alcuni gruppi universitari hanno già verificato la validità del laser a cascata quantica nella
rivelazione di piccolissime concentrazioni di gas in aria utilizzando tecniche di spettroscopia ad
elevata risoluzione; a titolo di esempio, un gruppo di ricerca presso lo Steven Institute of
Technology, New Jersey, e’ stato in grado di misurare una concentrazione pari a 250 ppb (parti per
miliardo) di ossido nitroso (N2O), utilizzando un laser a cascata quantica che lavorava in regime
impulsato ad una temperatura prossima alla temperatura ambiente, [2]. Inoltre, sono in atto delle
collaborazioni con gruppi di ricerca industriali e governativi americani, quali la Ford Motor
Company ed il NASA-JPL (Jet Propulsion Laboratory)
Dunque l’utilità del laser a cascata quantica e’ già stata sperimentata direttamente sul campo,
il che ha aumentato notevolmente gli spunti di ricerca per i possibili miglioramenti del dispositivo.
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2. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
2.1. Introduzione
Per comprendere il funzionamento di un laser a cascata quantica, e’ necessario chiarire prima
di tutto che cosa sia un laser a semiconduttore convenzionale e su quale principio funzioni.
Fondamentalmente un laser e’ una sorgente di luce; ciò che lo distingue nettamente da una
sorgente di luce convenzionale (per esempio, una normale lampada) e’ pero’ la presenza di una
cavità ottica, la quale ha il compito di selezionare un’unica lunghezza d’onda (ovvero un unico
“colore”) sul quale il laser emetterà tutta la sua potenza: perciò si può parlare di una sorgente
“monocromatica”
(a
differenza
delle
normali lampade, le quali emettono una luce
fondamentalmente bianca, ovvero contenente tutti i colori).
In particolare, un laser a semiconduttore e’ costituito da una giunzione pn (per tale motivo
viene anche definito “diodo laser”) realizzata con materiali semiconduttori compositi (tipicamente
GaAs). La potenza ottica viene dunque generata applicando alla giunzione una corrente diretta: in
tali condizioni, un elettrone che si trova in banda di conduzione può ricombinarsi con una lacuna
presente in banda di valenza, dando origine ad un fotone la cui lunghezza d’onda λ (il colore della
luce emessa) dipende dalla cosiddetta “energia di gap” EG (ovvero il salto energetico fra la banda di
conduzione e al banda di valenza), parametro dipendente a sua volta dal materiale semiconduttore
scelto per la realizzazione del diodo. Ciò significa che per cambiare la lunghezza d’onda di
emissione del laser e’ necessario cambiare il materiale utilizzato; per esempio, nel caso delle
comunicazioni ottiche, i diodi laser che emettono a λ=0.8µm sono realizzati tramite la coppia di
materiali GaAs/AlGaAs; per spostare l’emissione a λ=1.5µm, e’ necessario utilizzare il materiale
InGaAsP, il quel richiede un processo tecnologico decisamente differente. Infine, per ottenere la
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cavità ottica necessaria per l’emissione monocromatica, le superfici del pezzo di materiale in uso
devono essere tagliate opportunamente.
Il laser a cascata quantica si basa su un principio di funzionamento decisamente differente. La
principale diversità sta’ nel fatto che l’emissione della potenza ottica e’ dovuta ad un solo tipo di
portatore (tipicamente l’elettrone); per tale motivo, non e’ più necessaria una giunzione pn e dunque
non si può più parlare di diodo laser. Il meccanismo di generazione dei fotoni e’ quindi
completamente differente: essi vengono emessi non più tramite il meccanismo di ricombinazione
elettrone-lacuna, bensì tramite una continua “caduta” di un elettrone (da cui il nome cascata
quantica) da un livello energetico più alto ad uno più basso (vedere la Figura 2.1).
CONVENZIONALE
CASCATA QUANTICA
FIGURA 2.1 Differenza fra i meccanismi di emissione dei fotoni nei diodi laser convenzionali e nel laser a cascata
quantica. Nel laser convenzionale (sinistra), un fotone (freccia a spirale arancione) viene generato tramite la
ricombinazione di un elettrone (freccia blu) con una lacuna (freccia rossa); in un laser a cascata quantica invece (destra)
i fotoni vengono emessi solo tramite gli elettroni, i quali “cadono” da un livello ad energia più alta ad uno ad energia
più bassa.
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2.2. Struttura di un laser a cascata quantica
Nella Figura 2.2 viene mostrata la struttura delle bande di un generico laser a cascata
quantica, [1].
Generalmente, il diagramma a bande indica quali sono i livelli di energia che l’elettrone
(oppure la lacuna) può occupare all’interno di un particolare materiale. Come risultato della fisica
quantistica, anche in un materiale omogeneo (per esempio, un semiconduttore massivo come il
silicio) non tutti i livelli energetici sono disponibili; esiste infatti un intero intervallo di livelli
energetici “proibiti” (meglio noto come energy gap, indicato con EG) nel quale l’elettrone o la
lacuna non possono stare: i portatori vanno dunque ad occupare solo i livelli di energia permessi, i
quali formano le cosiddette “bande energetiche” (da cui il nome “diagramma a bande”).
FIGURA 2.2 Diagramma delle bande di un laser a cascata quantica e principio di funzionamento.
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Per creare la struttura di un laser a cascata quantica, le banda energetica relativa agli elettroni
(denominata “banda di conduzione”) viene opportunamente modellata accrescendo tramite MBE
(epitassia a fascio molecolare, vedere la Sezione 1) una serie di strati di materiali semiconduttori
con energy gap differenti (tipicamente della famiglia AlGaAs/GaAs); il risultato (vedi Figura 2.2,
linea nera) e’ una successione di “buche e barriere” energetiche che, con i loro spessori,
determinano le posizioni dei livelli energetici permessi: tale tecnica di modellazione delle bande
viene definita “bangap engineering”.
Il laser a cascata quantica e’ dunque costituito da un vero e proprio materiale artificiale, diviso
longitudinalmente in una serie di sezioni, denominati “stadi”, che si ripetono periodicamente. Ogni
singolo stadio e’ diviso in due parti distinte:
•= ZONA ATTIVA: questa zona ospita i livelli energetici tramite i quali avviene la transizione
ottica, ovvero l’emissione del fotone dovuta al decadimento di un elettrone da un livello
energetico alto ad uno basso. In maniera analoga al problema quantistico della “particella in una
buca”, gli spessori dei materiali vengono opportunamente scelti per creare i livelli 3, 2 e 1
(vedere Figura 2.2); l’elettrone che si trova nel livello 3, decadendo verso il livello 2, causa
l’emissione di un fotone: la lunghezza d’onda della radiazione emessa dipende da E3-E2 e, per
valori tipici in gioco, e’ tipicamente compresa nella gamma del “medio infrarosso” (3.5-24µm).
Il livello 1 viene inserito per rendere più efficiente il meccanismo di generazione dei fotoni.
•= INIETTORE: questa sezione e’ costituita da un “superreticolo”, ovvero una continua ripetizione
di buche e barriere con identico spessore ed altezza; una struttura geometrica di questo tipo crea
una “minibanda”, ovvero una piccola struttura a bande interna alla banda di conduzione del
materiale stesso. La progettazione di questa parte del materiale e’ cruciale, poiché essa ha il
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compito di fornire gli elettroni al livello 3 della zona attiva e deve favorire l’estrazione degli
elettroni decaduti sul livello 2.
Un laser a cascata quantica può essere costituito da 25-75 stadi di questo tipo. Ciò equivale a
dire che da un elettrone iniettato nella struttura si possono generare potenzialmente fino a 75 fotoni;
un laser convenzionale invece può generare unicamente un singolo fotone da una coppia elettronelacuna: per tale motivazione, un laser a cascata quantica e’ in grado di generare potenze fino a due
ordini di grandezza superiori (fino a 0.5W) ai convenzionali diodi laser realizzati tramite i sali del
piombo, [1]. Inoltre, per cambiare la lunghezza d’onda di emissione non e’ necessario cambiare il
materiale, basta solo cambiare gli spessori del materiale nella zona attiva: ciò porta dei notevoli
vantaggi quali una parziale standardizzazione del processo tecnologico di realizzazione dei laser.
La struttura finale viene ottenuta creando la cavità ottica necessaria per il funzionamento a
singola lunghezza d’onda (singolo modo), proprietà molto importante per l’applicazione del laser a
cascata quantica nell’ambito della spettroscopia ad alta risoluzione (vedere Sezione 1). Tale
selezione viene tipicamente ottenuta tramite un DFB (Distributed Feedback, feedback distribuito),
ovvero un reticolo distribuito che viene inciso direttamente sulla tessera del laser (Figura 2.3), [4].
FIGURA 2.3 Laser a cascata quantica con reticolo DFB per la selezione modale.
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3. NUOVE REALIZZAZIONI E PROSPETTIVE
Un parametro di fondamentale importanza per qualsiasi laser a semiconduttore e’ la
temperatura alla quale si trova la tessera del dispositivo: anche minute variazioni possono
cambiarne la potenza emessa a parità di corrente di alimentazione e, soprattutto, la lunghezza
d’onda della radiazione emessa. In alcune applicazioni e’ dunque fondamentale controllare la
temperatura del dispositivo tramite particolari sistemi di controllo delle derive della temperatura. I
laser a cascata quantica attualmente sperimentati nelle applicazioni di spettroscopia vengono
utilizzati in due differenti condizioni di funzionamento:
•= In regime impulsato (ovvero modulando la corrente di alimentazione) ed a temperatura
ambiente (T=300K, circa 25˚C), raggiungendo potenze di picco pari a 0.5W;
•= In continua (ovvero alimentando il laser con corrente continua) ed alla temperatura
dell’azoto liquido (T=77K, circa –200˚C), raggiungendo potenze dell’ordine dei 0.2W.
Un primo obiettivo della ricerca sul laser a cascata quantica e’ di ottenere dispositivi che
funzionino “in continua” a temperature decisamente più elevate (al di sopra dei 200K), in modo tale
da semplificare il metodo di termostatazione (abbandonare le celle ad azoto liquido per passare ai
più comuni sistemi termoelettrici) e migliorare le prestazioni nelle misure ad elevata risoluzione,
[1].
La proprietà di poter variare la lunghezza d’onda tramite la temperatura (o tramite la corrente
di alimentazione) viene attualmente utilizzata nella spettroscopia a scansione di lunghezza d’onda;
da questo punto di vista, il laser a cascata quantica ha permesso di ottenere prestazioni decisamente
superiori ai diodi laser realizzati con materiali convenzionali: e’ infatti possibile cambiare la
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lunghezza d’onda anche di parecchie decine di nanometri, risultato non facilmente ottenibile
altrimenti, [2]-[4]-[5]. Tale proprietà va pero’ associata ad una buona qualità della luce emessa,
ovvero una radiazione quasi perfettamente monocromatica: sono attualmente in corso degli studi
con lo scopo di “restringere” la riga di emissione del laser, risultato di elevato interesse per le
applicazioni spettroscopiche ad alta risoluzione, [1]-[2]-[3].
Infine, vi sono alcune interessanti prospettive per estendere i campi di applicazione del laser a
cascata quantica:
•= Creare laser affidabili che emettano più lunghezze d’onda contemporaneamente. Tramite
la tecnica di “bandgap enginering” e’ possibile creare una zona attiva la quale presenta
più possibili transizioni ottiche, in modo tale da generare un fascio di luce a due o più
lunghezze d’onda, [4]; molto interessante e’ la possibilità di applicazione di tali dispositivi
nelle tecniche LIDAR a differenza di assorbimento, [1];
•= Ottenere dei laser che emettano a lunghezze d’onda nel “lontano infrarosso” (con λ fino a
100µm), [3]. Questo obbiettivo richiede lo studio e la realizzazione di strutture diverse
rispetto a quella descritta nella Sezione 2.2 (per esempio la realizzazione a
“superreticolo”), [1]-[6]; recentemente, un gruppo di ricerca presso l’Università di
Neuchâtel, Svizzera, e’ riuscita ad ottenere un dispositivo che, pur non emettendo luce
monocromatica, emette radiazione a bassa potenza ad una lunghezza d’onda di 88µm, [2];
•= Ottenere laser impulsati (sia tramite modulazione diretta della corrente che tramite
tecniche di mode-locking o gain-switching) ad elevata frequenza per applicazioni nelle
comunicazioni ottiche nel “medio infrarosso” (in particolar modo FSO, Free-Space
Optics, comunicazione nello spazio libero), [3]-[5].
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Il laser a cascata quantica: principi di funzionamento e dispositivi commerciali
Il futuro della ricerca sul laser a cascata quantica e’ dunque ricco di possibili spunti; ciò e’
un’evidente dimostrazione di come le Nanoscienze e le Nanotecnologie, nonostante gli ingenti
sforzi economici necessari per il loro sviluppo, stiano prendendo piede sia nel mondo della ricerca
che nel mondo delle applicazioni industriali.
BIBLIOGRAFIA
[1]
F. Capasso et al., “High performance quantum cascade lasers”, Optics and Photonics News,
Vol. 10, No. 10, Ottobre 1999, pp. 32-37.
[2]
F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, A. Y. Cho, “Quantum cascade lasers”, Physics World,
Vol. 12, No. 6, Giugno 1999, pp. 27-33.
[3]
F. Capasso et al., “Quantum cascade lasers: ultrahigh-speed operation, optical wireless
communications, narrow linewidth and far-infrared emission”, IEEE Journal of Quantum
Electronics, Vol. 38, No. 6, Giugno 2002, pp. 511-532.
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C. Gmachl, A. Straub, R. Colombelli, F. Capasso, D. L. Sivco, A. M. Sergent, A. Y. Cho,
“Single-Mode, Tunable Distributed-Feedback and Multiple-Wavelength Quantum Cascade
Lasers”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 38, No. 6, Giugno 2002, pp. 569-581.
[5]
F. Capasso et al., “New frontiers in quantum cascade lasers and applications”, IEEE Journal
on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, Novembre-Dicembre 2000,
pp.931-947.
[6]
C. Sirtori, H. Page, C. Becker, V. Ortiz, “GaAs–AlGaAs Quantum Cascade Lasers: Physics,
Technology, and Prospects”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 38, No. 6, Giugno
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