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2024-04-22T15:43:49Z

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Der '''Quantenkaskadenlaser''' (QKL), engl. '''Quantum Cascade Laser''' (QCL), ist ein [[Laser|Halbleiterlaser]] für Wellenlängen im mittleren und fernen [[Infrarotstrahlung|Infrarot]] ([[Terahertzstrahlung]]). Im Gegensatz zu normalen Halbleiterlasern wird das Laserlicht nicht durch die strahlende [[Rekombination (Physik)|Rekombination]] eines Elektrons des [[Leitungsband]]s mit einem Loch des [[Valenzband]]s des Halbleiters erzeugt (Interband-Übergang), sondern durch Intersubband-Übergänge von Elektronen innerhalb des Leitungsbands.

[[Datei:Cascade transitions.svg|mini|Intersubband-Übergänge im Leitungsband beim Quantenkaskadenlaser]]
2010 waren Geräte zur Abgasanalyse kommerziell erhältlich.<ref>{{Internetquelle |autor= |url=https://www.horiba.com/fileadmin/uploads/Automotive/Documents/HORIBA_praesentiert_neue_Emissionsmesstechnologie_auf_Basis_eines_Quantenkaskadenlasers.pdf |titel=1HORIBA präsentiert neue Emissionsmesstechnologie auf Basis eines Quantenkaskadenlasers |werk= |hrsg=HORIBA Automotive Test Systems |datum=2010-06-22 |abruf=2020-01-28 |sprache=de}}</ref>

== Geschichte ==
Das theoretische Konzept für Quantenkaskadenlaser wurde bereits im Jahr 1971 von [[R. F. Kazarinov]] und [[Robert Arnoldowitsch Suris|R. A. Suris]] entwickelt. Die experimentelle Umsetzung jedoch gelang [[Jérôme Faist]], [[Federico Capasso]], Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson und [[Alfred Y. Cho]] erst 1994 an den [[Bell Laboratories]] mit Hilfe der [[Molekularstrahlepitaxie]].<ref>J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho: ''Quantum Cascade Laser.'' In: ''Science.'' 264, 1994, S. 553–556, {{DOI|10.1126/science.264.5158.553}}.</ref>

Die mit diesem Lasertyp erreichbaren [[Wellenlänge]]n liegen zurzeit (d. i. Anfang 2004) im Bereich zwischen 3,5 µm und 141 µm. Dieser Wellenlängenbereich wird durch andere Lasertypen so gut wie nicht erschlossen, daher sind QCLs hier nahezu konkurrenzlos. Zudem lassen sich Quantenkaskadenlaser, ebenso wie andere Halbleiterlaser, mit sehr kleinen Abmessungen herstellen.

== Aufbau ==
Der Aufbau des Quantenkaskadenlasers basiert auf einem Halbleiterlasermaterial, das aus einer Vielzahl von Schichten besteht, deren Dicke im Bereich einiger Nanometer liegt. Dabei werden abwechselnd sehr dünne Schichten (wenige nm) von Materialien mit unterschiedlicher Bandlücke (z. B. [[Galliumarsenid|GaAs]] und [[Aluminiumgalliumarsenid|AlGaAs]]) verwendet. Dadurch entstehen sogenannte [[Quantenfilm]]e, und damit ein [[Elektrostatik#Potential und Spannung|elektrisches Potential]], das sich in Abhängigkeit vom Material räumlich ändert. Die darin entstehenden Quantenzustände der [[Elektron]]en können mit benachbarten Zuständen koppeln, wodurch diese aufspalten und sogenannte [[Miniband|Minibänder]] bilden (siehe [[Bändermodell]]). Die Funktionsweise des Lasers hängt kritisch von der richtigen Abfolge unterschiedlicher Schichtdicken der Quantenfilme sowie der [[Dotierung]] ab.

Dazu wird eine Reihe von Halbleiterschichten als zweidimensionale [[Quantentopf|Quantentöpfe]] hergestellt, die mehrere quantisierte Energieniveaus relativ zum Material-Energieniveau haben. Durch Anlegen einer Spannung werden die absoluten quantisierten Energieniveaus angrenzender Quantentöpfe so zueinander ausgerichtet, dass Elektronen durch quantenmechanisches Tunneln von einem niedrigen Energieniveau des einen Quantentopfs in ein hohes Energieniveau eines anderen gelangen können. Dann kann der Energieunterschied zwischen hohem und niedrigem Energieniveau in Form von [[Photon]]en abgegeben werden, und die nächste gleichartige Halbleiter-Schichtfolge (''Kaskade'') durchlaufen werden.

Senkrecht zu den Quantenfilmen wird eine [[Elektrische Spannung|Spannung]] angelegt. Nun können Elektronen durch die Quantenfilme hindurchtreten, wobei sie stets Quantenzustände einnehmen. Der für die Emission relevante Bereich besteht aus zwei unterschiedlichen Zonentypen, die sich mehrmals (z. B. 25 Mal) abwechselnd wiederholen, nämlich [[Emissionszone]] und [[Injektorbereich]]. Im Injektorbereich befinden sich Minibänder, die zur Zwischenlagerung von Elektronen dienen. Die Emissionszone kann zum Beispiel aus drei unterschiedlichen Energieniveaus bestehen. Elektronen gehen unter Emission eines Photons aus den höheren Niveaus in die niedrigeren über (siehe dazu [[Laser]] unter dem Stichwort Dreiniveau). Neben dem [[Fabry-Perot-Resonator]], der durch die Stirnflächen des Materials gebildet wird, wird zur Erzeugung monochromatischer Strahlung das [[Distributed Feedback Laser|DFB-Konzept]] (engl. distributed feedback) eingesetzt.

Anwendungsfelder für diese Lasertypen sind beispielsweise die [[Spurengasanalyse]], die [[Freistrahlübertragungstechnik]] sowie die [[Medizintechnik]].

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Weblinks ==
* J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho: ''Quantum Cascade Laser.'' In: ''Science.'' 264, 1994, S. 553–556, {{DOI|10.1126/science.264.5158.553}}.

{{Normdaten|TYP=s|GND=4722876-3}}

[[Kategorie:Laserstrahlquelle]]
[[Kategorie:Quantenphysik]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]

Quantenkaskadenlaser - Versionsgeschichte

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