Only Perception: 研究者在量子級聯雷射中發現新型雷射

2009-01-01

研究者在量子級聯雷射中發現新型雷射

Researchers discover new type of laser
http://www.physorg.com/news149171030.html

December 22nd, 2008

一個由普林斯頓大學所領導的研究團隊發現一種製造常見、可發出雷射光術之電子材料的全新機制。這項發現將導致運作更有效率以及運作溫度比現有裝置還要更高的雷射，而且能在環境監測與醫學診斷中找到應用。

"這項發現對雷射的物理學提供了一種新的洞悉，" Claire Gmachl 說，他領導此研究。Gmachl，一位電機工程師，是 Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment（MIRTHE，健康與環境中紅外線技術）中心主任。這種現象是在一種稱為量子級聯雷射（quantum cascade laser）的裝置中被發現，在其中，電流流經一種特別設計的材料製造出一道雷射光束。Gmachl 小組發現，他們所建造的量子瀑布雷射產生了第二道雷射，具有非比尋常的特性，包括所需電力較傳統光束少。"如果我們能關閉傳統光束，我們得到一種更好的雷射，那在電力使用上會更有效率，" Gmachl 說。

該團隊成員包括 Gmachl 的畢業生 Kale Franz，他建造揭露此新現象的雷射，與 Stefan Menzel，一位來自英國 Sheffield 大學的畢業生，他去年夏天在普林斯頓實習期間發現這種現象的獨特特性。這項研究發表在 12/4 的 Nature Photonics 線上版。

雷射所發出的光在根本上與那些常見光源，如太陽、火或電燈不同。根據量子電動力學，光是由一種稱為光子的粒子所構成。常見光源以一種隨機的次序發出光子，如同摩肩擦踵的繁忙市場。對照之下，在雷射當中的光子彼此「同步」，猶如列隊行進的樂隊。這種特性，稱為同調（coherence），讓雷射光能以一種強烈的、顏色非常純的單色狹窄光束照耀。製造雷射光束的方法之一是讓電流通過某種半導體，例如砷化鎵。電流將能量灌注到此材料中，迫使大量電子到比平常更高的能階。在某些狀況下，這些電子會落入較低能階，並以同步化光子的光線形式散發額外的能量。這種機制構成用於燒錄機、雷射印表機與其他常見電子裝置之雷射的基礎。

在普林斯頓研究中所使用的雷射，一種特別的類型，稱為量子級聯雷射。在普林斯頓大學的奈米組裝廠打造，該裝置約為人類頭髮的 1/10 粗，長 3 mm。儘管尺寸不大，它卻是以數百層不同的半導體材料所構成。每一層只有幾個原子厚。在這個裝置裡，當電子失去能量並發出同步化的光子時，它們「如瀑布般」向下通過各層。

在一篇較早發表在 Applied Physics Letters 2007 年 6 月號的研究中，Franz、Gmachl 等人報告，他們所打造的量子級聯雷射意外發出第二道雷射光束，波長稍短於主要的。Menzel 等人更進一步的研究揭露，第二道光束無法以任何現有的量子級聯雷射理論來解釋。不同於傳統的半導體雷射，當溫度增加時，第二道光束變得更強，直到某一點。此外，它似乎與「正常的」雷射競爭，當電流供應更多時，正常的雷射會增強，但它反而漸漸變弱。"那是一種來自半導體雷射的新發光機制，" Franz 說。

為了解釋這種機制，研究者訴諸一種電子的量子特性，稱為動量。在量子級聯雷射的傳統觀點中，只有近乎零動量的粒子參與發出雷射光（lasing）。此外，在大量的電子能參與雷射作用之前，它們必須獲得同樣水準的能量與動量 -- 得在一種所謂的「準平衡（quasi-equilibrium）」狀態中。相較之下，Gmachl 小組的研究證明第二道雷射光束源自於能量較低但動量較高的電子，這不在平衡之列。"那證明，與我們所相信的相反，電子有助於雷射發射，即便它們處於高度不平衡的狀態中，" Franz 說。

這種新雷射現象具有某些有趣的特徵。例如，在一個依靠低動量電子的傳統雷射中，電子通常重新吸收（reabsorb）已發射的光子，這減少了整體效率。然而，在這種新類型的雷射中，這樣的吸收減少了 90%，Franz 說。這有可能讓裝置在較低電流下運作，而且使它較不易受溫度變化傷害。"那應能讓我們大幅改善雷射的效率，" 他說。

在此研究中所使用的裝置不能完全獲得這種程度的效能，因為傳統、低效能的雷射機制處於支配地位。因此，為了完整利用這項新發現的優勢，傳統的機制將需要被關閉。研究者已著手研究能夠達到這種結果的方法，Franz 說。

不同於其他雷射，量子級聯雷射在中紅外線與遠紅外線的範圍內運作，且能用來偵測相當微量的水蒸汽、氨、一氧化氮以及其他吸收紅外光的氣體。因此，這些裝置能在空氣品質監測、醫學診斷、國土安全還有其他需要非常敏感地偵測各種不同化學物質的領域。這項新發現應能使這些裝置更小、更有效率與更敏感，Gmachl 表示。

※ 相關報導；

＊ High k-space lasing in a dual-wavelength quantum cascade laser
http://www.nature.com/nphoton/journal/v3/n1/abs/nphoton.2008.250.html

Kale J. Franz, Stefan Menzel, Anthony J. Hoffman,
Dan Wasserman, John W. Cockburn & Claire Gmachl
Nature Photonics 3, 50 - 54 (2008)
Published online: 14 December 2008
doi: 10.1038/nphoton.2008.250

... Here, we report on a quantum cascade laser with an energy configuration able to establish local population inversion high in k-space. We observe dual-wavelength emission from two discrete optical transitions. Temperature-dependent performance attributes show that the two transitions are highly coupled; competition for charge carriers is apparent from the anti correlated behaviour. The two optical transitions represent a conventional quantum cascade laser transition at k≒0 and another laser transition from non-thermal electrons near k≒3.6x10^8 m^-1.