Advanced

Modeling Quantum Cascade Lasers : The Challenge of Infra-Red Devices

Franckie, Martin LU (2016)
Abstract (Swedish)
Vi lever i en tid av snabb vetenskaplig och teknologisk utveckling. För 100 år sedan hade ingen kunnat drömma om de saker som helt har förändrat vår var- dag och hur vi uppfattar omvärlden; datorer, mobiltelefoner, Internet, rymdfart, våra upptäckter om universums barndom och avlägsna galaxer samt vår insyn i kvantfenomenens mikroskopiska värld. Idag står vi på tröskeln till en era formad av nanoteknologi, med datorkomponenter bara tiotals nanometer stora (en tiotu- sendedel av ett hårstrås tjocklek), och då nya innovationer på nanomenterskalan gör sina intåg i industriellt bruk.

En sådan nanoskopisk apparat är kvantkaskadlasern (eng. Quantum Cascade Laser). Som alla lasrar skickar den ut elektromagnetisk strålning, vilket... (More)
Vi lever i en tid av snabb vetenskaplig och teknologisk utveckling. För 100 år sedan hade ingen kunnat drömma om de saker som helt har förändrat vår var- dag och hur vi uppfattar omvärlden; datorer, mobiltelefoner, Internet, rymdfart, våra upptäckter om universums barndom och avlägsna galaxer samt vår insyn i kvantfenomenens mikroskopiska värld. Idag står vi på tröskeln till en era formad av nanoteknologi, med datorkomponenter bara tiotals nanometer stora (en tiotu- sendedel av ett hårstrås tjocklek), och då nya innovationer på nanomenterskalan gör sina intåg i industriellt bruk.

En sådan nanoskopisk apparat är kvantkaskadlasern (eng. Quantum Cascade Laser). Som alla lasrar skickar den ut elektromagnetisk strålning, vilket väsentligen är ljusvågor. Våra ögon kan faktiskt endast uppfatta en liten del av det elektro- magnetiska spektrat, vilket sträcker sig från de mycket långa radiovågorna, via mikrovågor, terahertz och infrarött, genom synligt ljus, och vidare till ultraviolett UV-A och UV-B strålning (den som ger en så härlig bränna på sommaren), och slutligen till Röntgen- och gammastrålar från radioaktivt sönderfall och kosmisk strålning. Vanliga laserpekare skickar till exempel ut ljusvågor med våglängder mellan 500 nanometer (blått ljus) och 700 nanometer (rött ljus), vilket är synligt för våra ögon.
Det speciella med kvantkaskadlasern är att den inte skickar ut synligt ljus, utan ljus med terahertz- och infraröda våglängder. Den gör dessutom detta med hjälp av samma teknologi som används för att göra vanliga LED (light emitting diode) lampor som numera finns i vartenda hem. Terahertz och infrarött ljus är intres- sant att använda inom spektroskopi - alltså detektion av kemiska ämnen genom att titta på det ljus som träffat dem. Till exempel kan kvantkaskadlasrar använ- das för att upptäcka mycket små mängder sprängämnen, diagnostisera patienter genom utandningsluften, följa koncentrationen av växthusgaser och förorening- ar i atmosfären och undersöka innehållet i avlägsna stjärnor. Men det är även intressant att, som med infraröda kameror, avbilda saker i terahertz som våra ögon normalt inte kan se. Terahertzvågor går nämligen igenom textilier och kan användas på flygplatser för att upptäcka om någon döljer ett vapen under sina kläder. Eller också skulle de kunna användas för att inspektera en patient som kommer in på akutavdelningen, utan att behöva klippa upp dennes kläder.

I den här avhandlingen har jag gjort datorsimuleringar av kvantkaskadlasrar ge- nom att använda en komplicerad datormodell som i detalj tar med elektronernas resa genom lasern i beräkningarna, och hur de växelverkar med sin omgivning. Genom att förbättra denna modell, har jag kunnat återskapa hur verkliga kvantkaskadlasrar fungerar med anmärkningsvärd precision. Detta kommer att under- lätta utvecklingen av, och förbättra framtida, kvantkaskadlasrar samt hjälpa oss förstå de underliggande fysikaliska processerna - hur elektronerna beter sig på sin kvantmekaniska färd genom lasern. Det är just det jag tycker är så fantas- tiskt med fysik: att försöka förstå naturen och använda denna kunskap för att förbättra människors liv. (Less)
Abstract
We live in a time of rapid scientific and technological advancement. People liv- ing 100 years ago could never dream of inventions like those having completely changed our way of life, and our perception of the world; computers, mobile phones, the Internet, space travel, unraveling the mysteries of the early universe and distant galaxies, and our insight into the microscopic world of quantum phe- nomena. Today we are at the dawn of an era of nanotechnology, with computers components being only tens of nanometers in size, and nano-devices making their entrance into wide industrial use.
One such nanoscopic device is the Quantum Cascade Laser (QCL). Like all as lasers, it emits electro-magnetic waves, which essentially is light. In fact,... (More)
We live in a time of rapid scientific and technological advancement. People liv- ing 100 years ago could never dream of inventions like those having completely changed our way of life, and our perception of the world; computers, mobile phones, the Internet, space travel, unraveling the mysteries of the early universe and distant galaxies, and our insight into the microscopic world of quantum phe- nomena. Today we are at the dawn of an era of nanotechnology, with computers components being only tens of nanometers in size, and nano-devices making their entrance into wide industrial use.
One such nanoscopic device is the Quantum Cascade Laser (QCL). Like all as lasers, it emits electro-magnetic waves, which essentially is light. In fact, our eyes can only detect a very narrow range of wavelengths in the electro-magnetic spectrum, which stretches from very long radio waves, followed by microwaves, terahertz and infrared waves, through the wavelengths of visible light, up to ultra-violet UV-A and UV-B radiation (giving us a good tan), and finally X- rays and gamma-rays from radio-active decay and cosmic radiation. In the case of, e. g. conventional laser pointers, the light wave has wavelengths of 500 (blue light) up to 700 (red light) nanometers and is visible to our eyes.
What is special about the QCL is that it does not emit visible light, but light in the terahertz and infrared (IR) regions, and it does so using the same technology as normal light emitting diode (LED) lights. These regions are both interesting for applications in spectroscopy, i. e. the detection of chemical substances by looking at light going through them. For example, QCLs can be used to detect very small quantities of explosive materials, diagnose exhaled air in patients, monitor green house gases and pollution in the atmosphere, and examining the contents of far away stars. But, like IR cameras, they can also be used to make images of that which our eyes cannot see; with terahertz light we can see through clothes and thin materials, which could be used to screen patients in the emergency room without having to remove their clothes, or at the airport to see if they are carrying a weapon.
In this work, I have simulated QCLs using a complicated theoretical model, which in detail accounts for the motion of the electrons inside the device, and their interaction with their surroundings. By improving this model, we are actually able to reproduce real QCL behavior remarkably well. This can help to improve future QCLs, and to understand the basic physical mechanisms underlying their operation. This to me is what physics is all about: To seek to understand nature and make use of this knowledge to help making life better. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Klimeck, Gerhard, Purdue University, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Quantum Cascade Lasers, Non-equilibrium Green's functions, Modeling, semiconductor heterostructures, Quantum Cascade Lasers, Non-equilibrium Green's functions, THz radiation, infrared radiation, semiconductor heterostructures, Modeling & Simulation Technology, Fysicumarkivet A:2016:Franckié
pages
184 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Physics
defense location
Physicum, Rydberg Lecture Hall, Sölvegatan 14A, Lund
defense date
2016-05-13 13:00
external identifiers
  • scopus:85007420533
ISBN
978-91-7623-778-6
language
English
LU publication?
yes
id
0763cba3-7972-4d5c-a089-73cf65229c09
date added to LUP
2016-04-18 21:53:20
date last changed
2017-01-25 15:08:00
@phdthesis{0763cba3-7972-4d5c-a089-73cf65229c09,
  abstract     = {We live in a time of rapid scientific and technological advancement. People liv- ing 100 years ago could never dream of inventions like those having completely changed our way of life, and our perception of the world; computers, mobile phones, the Internet, space travel, unraveling the mysteries of the early universe and distant galaxies, and our insight into the microscopic world of quantum phe- nomena. Today we are at the dawn of an era of nanotechnology, with computers components being only tens of nanometers in size, and nano-devices making their entrance into wide industrial use.<br/>One such nanoscopic device is the Quantum Cascade Laser (QCL). Like all as lasers, it emits electro-magnetic waves, which essentially is light. In fact, our eyes can only detect a very narrow range of wavelengths in the electro-magnetic spectrum, which stretches from very long radio waves, followed by microwaves, terahertz and infrared waves, through the wavelengths of visible light, up to ultra-violet UV-A and UV-B radiation (giving us a good tan), and finally X- rays and gamma-rays from radio-active decay and cosmic radiation. In the case of, e. g. conventional laser pointers, the light wave has wavelengths of 500 (blue light) up to 700 (red light) nanometers and is visible to our eyes.<br/>What is special about the QCL is that it does not emit visible light, but light in the terahertz and infrared (IR) regions, and it does so using the same technology as normal light emitting diode (LED) lights. These regions are both interesting for applications in spectroscopy, i. e. the detection of chemical substances by looking at light going through them. For example, QCLs can be used to detect very small quantities of explosive materials, diagnose exhaled air in patients, monitor green house gases and pollution in the atmosphere, and examining the contents of far away stars. But, like IR cameras, they can also be used to make images of that which our eyes cannot see; with terahertz light we can see through clothes and thin materials, which could be used to screen patients in the emergency room without having to remove their clothes, or at the airport to see if they are carrying a weapon.<br/>In this work, I have simulated QCLs using a complicated theoretical model, which in detail accounts for the motion of the electrons inside the device, and their interaction with their surroundings. By improving this model, we are actually able to reproduce real QCL behavior remarkably well. This can help to improve future QCLs, and to understand the basic physical mechanisms underlying their operation. This to me is what physics is all about: To seek to understand nature and make use of this knowledge to help making life better.},
  author       = {Franckie, Martin},
  isbn         = {978-91-7623-778-6},
  keyword      = {Quantum Cascade Lasers,Non-equilibrium Green's functions,Modeling,semiconductor heterostructures,Quantum Cascade Lasers,Non-equilibrium Green's functions,THz radiation,infrared radiation,semiconductor heterostructures,Modeling & Simulation Technology,Fysicumarkivet A:2016:Franckié},
  language     = {eng},
  pages        = {184},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Physics},
  school       = {Lund University},
  title        = {Modeling Quantum Cascade Lasers : The Challenge of Infra-Red Devices},
  year         = {2016},
}