Quantumkaskadenlaser

Was ist ein Quantumkaskadenlaser?

Ein Quantumkaskadenlaser ist ein in der Infrarot-Region arbeitender Halbleiterlaser, der einen hohen Strahlungsintensitätsbereich und eine schmale spektrale Breite aufweist. Er wird auch als QCL bezeichnet. Der Laser emittiert Licht im Bereich von 3-20 μm und wird oft als eine Art Miniatur-Chemielabor bezeichnet.

Wie funktioniert ein Quantumkaskadenlaser?

Der Quantumkaskadenlaser wurde 1994 von einem Team der Bell Laboratories entwickelt. Er besteht aus vielen dünnen Schichten von Halbleitermaterialien, die abwechselnd positiv und negativ geladen sind. Die Schichten sind so gestaltet, dass sie Energie in Form von Licht abgeben, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Jede Schicht hat eine bestimmte Wellenlänge, die von der Dicke und Materialzusammensetzung abhängt. Um die gewünschte Wellenlänge zu erhalten, können die Schichtdicke und -zusammensetzung angepasst werden.

Anwendungen von Quantumkaskadenlasern

Quantumkaskadenlaser haben verschiedene Anwendungen. Sie können in der Umweltüberwachung und der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Sie werden auch in der Astronomie zur Beobachtung von Sternen und Planeten sowie in der Gasanalyse eingesetzt. Der Vorteil von QCLs gegenüber anderen Lasertypen ist, dass sie eine hohe spektrale Reinheit aufweisen, was sie besonders nützlich für die Identifizierung von Molekülen macht.

Beispiel: Quantumkaskadenlaser in der Gasanalyse

In der Gasanalyse wird der Quantumkaskadenlaser eingesetzt, um Gase wie Kohlenmonoxid, Methan, Ethanol und Stickstoffmonoxid zu detektieren. Der Laser sendet Licht aus, das von den Gasmolekülen absorbiert wird. Die Wellenlänge des absorbierten Lichts entspricht der spezifischen Absorptionslinie des Gases. Die Intensität des absorbierten Lichts wird gemessen, um die Konzentration des Gases zu bestimmen. QCLs können auch zur Messung von Spurengasen in der Luft und in der Atmosphäre eingesetzt werden. Sie können in tragbare Gasdetektoren integriert werden, um die Umweltüberwachung in Fabriken und anderen industriellen Einrichtungen zu verbessern.