Kuantum Çağlayan Lazerler (Quantum Cascade Lasers-QCL)
Küçük boyutları, yüksek güvenilirlikleri ve kullanım kolaylıkları nedeniyle, geleneksel yarıiletken diyot lazerleri, telekomünikasyon ve tüketici elektroniği gibi alanlarda (örneğin, optik fiber iletişimi ve kompakt disk (CD) çalarlar) baskın bir rol oynamaktadır. Bu lazerlerde ışık, kristalin iletkenlik bandı ile değerlik bandı arasında bulunan enerji bandı boşluğu boyunca elektronlar ve boşlukların yeniden birleşmesiyle ortaya çıkmaktadır. İki bant arasındaki enerji ayrımı, lazer dalga boyunu belirlemektedir. Bu ayrım “bant aralığı” (bandgap) olarak adlandırılmaktadır ve genel olarak kullanılan malzemeye bağlıdır.
Buna karşılık, Kuantum Çağlayan Lazer (QCL- Quantum Cascade Laser), yalnızca bir tür taşıyıcıyı (elektronları) içeren ve kuantum mekaniğinin iki temel olgusuna, yani tünelleme ve kuantum hapsine dayanan bir yarıiletken lazerdir. Temel kavram 1971 gibi erken bir tarihte önerilmiş olmasına rağmen, 1994 yılında gerçek bir cihazın gösterilmesine kadar yirmi yıldan fazla bir süre geçmiştir.
Kuantum Çağlayan Lazerlerin Çalışma Prensibi
Klasik yarıiletken lazerlerde foton emisyonu, bant aralığı boyunca elektron-boşluk birleşmesine dayanırken, QCL tamamen farklı bir yaklaşıma dayanmaktadır. QCL’de foton emisyonu, elektronların, yarıiletken malzemelerin ultra ince katmanlarında kuantum hapsi ile oluşturulan bağlı durumlar arasında saçılmasıyla elde edilen, “altbant geçişleri” olarak adlandırılan olgudan yararlanılarak gerçekleştirilmektedir. Şekil 1 bantlar arası geçişlerden yararlanan klasik yarıiletken lazerlerin ve alt bantlar arası geçişlerden yararlanan QCL’lerin çalışma prensibini şematik olarak göstermektedir. QCL’lerin çalışma prensibi incelendiğinde ışınım dalga boyu ilgili yarıiletken bileşiğin intrinsik bant aralığı ile sınırlandırılamaz fakat tabaka kalınlığının değişimi ile kolayca değiştirilebilmektedir. Tabaka kalınlıkları tipik olarak birkaç nm civarındadır ve bu kalınlıklar elektronik durumların birbirleriyle etkileşmesine, bu etkileşim ile gerekli alt enerji seviyelerinin oluşmasına ve elektronların kuantum kuyularından engellere tünellemesine olanak sağlamaktadır.
Şekil 1. (Sol) Bantlar arası emisyon ve (Sağ) alt bantlar arası emisyon ile ilgili şematik gösterimler.
Kuantum Çağlayan Lazer Yapısı
QCL tasarımı genel olarak enjektör bölgesi ve aktif bölge olarak adlandırılan iki farklı bölgeden oluşmaktadır (Şekil 2). Aktif bölge kuantum çağlayan lazerde ışığın oluştuğu bölgedir.
Şekil 2. QCL yapısına ait iki enjektör bölgesi arasına sıkıştırılmış aktif bölgenin şematik gösterimi.
Tipik bir üç kuantum kuyulu aktif bölgeye sahip QCL yapısının aktif bölgesi enerji seviyeleri ile birlikte voltaj uygulanmamış (a) ve uygulanmış (b) haliyle şematik olarak Şekil 3’te gösterilmektedir. Kuantum kuyularında görülen enerji seviyeleri değişken kalınlıktaki kuantum kuyu ve engellerin oluşturduğu kuantum kuşatma etkisi nedeniyle ortaya çıkmaktadır. Şekil 3 ile gösterilen aktif bölge tasarımında elektronlar 3 numaralı yüksek enerji durumundan 2 numaralı düşük enerjili duruma geçtiğinde aradaki enerji farkı ile ilişkili bir foton ortaya çıkmaktadır. Daha sonra fononlar vasıtasıyla elektronlar gevşeme mekanizması ile 2 numaralı enerji seviyesinden 1 numaralı taban durumu enerji seviyesine geçmektedir. Bu geçiş durumu 1 ve 2 enerji seviyeleri arasındaki fark optik fonon enerjileri (~35-40 meV) ile kıyaslanabilir mertebelerde olduğunda daha hızlı olmaktadır. In0.53Ga0.47As için boyuna optik fonon enerjisi 34 meV, GaAs için 35 meV ve InP için 43 meV değerlerine sahiptir. Bu yapılarda yalnızca istenilen dalga boyunda ışınım olması için dipol matris elemanının ya da enerji seviyelerine ait dalga fonksiyonlarının çakışma durumlarının hesaplanarak istenilen geçişin maksimize olması hesaplanabilmektedir.
Şekil 3. Üç kuantum kuyulu aktif bölgeye sahip kuantum çağlayan lazer yapısının potansiyel fark uygulanmış (a) ve uygulanmamış (b) halinin gösterimi.
Şekil 2’ de gösterilen enjektör bölgesi ise elektronların çağlama prosesine olanak sağlamak için aktif bölgeleri birbirine bağlamaktadır. Çağlama prosesinde enjekte edilen tek bir elektrona karşılık çok sayıda foton üretilmesi kuantum çağlayan lazerlerin dış kuantum verimlerinin %100’den büyük olmasını sağlamaktadırlar. Enjektör bölgesi ayrıca aktif bölgenin 3. enerji seviyesi (diğer tasarımlarda en yüksek enerji seviyesi) için elektron rezervuarı olarak görev yapmakla birlikte 2. ve 1. enerji seviyelerindeki elektronları uzaklaştırma görevi de bulunmaktadır. Enjektör bölgesi elektronların fononlar vasıtasıyla hızlı bir şekilde yeniden kullanım için taban durumuna iletilmesi amacıyla enerji seviyelerinin mini bantlarını içermektedir. Enjektör bölgesi ayrıca mini bantların yanı sıra herhangi bir enerji durumunun olmadığı mini boşluklar oluşturmaktadır. Bu bölgelerde elektronların sürekli seviyelere veya sonraki enjektör bölgesine herhangi bir foton salınımı olmadan kaçmaları engellenmiş olmaktadır.
Kuantum Çağlayan Lazer Uygulama Alanları
Absorpsiyon Spektroskopisi
Tüm kovalent bağlı malzemeler, moleküler yapılarından kaynaklanan izinli titreşim ve dönme modları nedeniyle kızılötesi (IR) spektrumda kendine özgü bir absorpsiyon spektrumuna sahiptir. İki farklı malzeme hiçbir zaman aynı moleküler yapıya sahip olmadığından, her bir bağa karşılık gelen farklı absorpsiyon bantları parmak izi bölgesi olarak adlandırılan benzersiz bir spektrum oluşturmaktadır.
Geleneksel olarak, kızılötesi absorpsiyon ölçümleri Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektrometreler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu cihazlar, geniş bantlı bir kızılötesi ışık kaynağı (globar olarak bilinir) ve tarama interferometresi içermektedir. Sistem, stabilize edilmiş helyum-neon lazeri ile içsel olarak kalibre edilmektedir. QCL’ler, sistemi büyük ölçüde basitleştirerek interferometreyi tamamen ortadan kaldırmakta ve kızılötesi ışık kaynağının yerine ayarlanabilir bir QCL kullanmaktadır. Sonuç olarak, QCL’ler, sistem maliyetini ve karmaşıklığını önemli ölçüde azaltmaları nedeniyle kimyasal analiz ve kimyasal görüntüleme alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Buna ek olarak, absorpsiyon spektroskopisi terahertz (THz) bölgesinde de gerçekleştirilebilmektedir ve QCL’ler bu bölgede geniş bir kullanım alanına sahiptir.
Şekil 4. QCL uygulama alanına ait görsel
İz-Gaz Tespiti
Teknik olarak absorpsiyon spektroskopisinin bir alt dalı olmasına rağmen, iz-gaz tespiti zamanla bağımsız bir sınıflandırma haline gelmiştir. Bunun nedeni yalnızca gaz analizlerinde kızılötesi absorpsiyonunun kullanılması değil, aynı zamanda atmosferik geçiş bantlarının orta kızılötesi bölge ile uyumlu olmasıdır (Şekil 4’te gösterildiği gibi). Şekil 4 ayrıca, ticari olarak mevcut bazı Dağıtılmış Geri Besleme Kuantum Kademeli Lazerleri (DFB-QCL) için ayarlanabilir dalga boyu aralıklarını da vurgulamaktadır.
Kızılötesi bölgedeki iz-gaz tespiti için çeşitli ölçüm yöntemleri bulunsa da, günümüzde en yaygın kullanılan teknik Ayarlanabilir Diyot Lazer Absorpsiyon Spektroskopisi (TDLAS – Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) yöntemidir. TDLAS tekniğinde, bir lazer analiz edilen gazın kızılötesi absorpsiyon spektrumundaki belirli bir absorpsiyon çizgisi üzerinde hızla tarama yaparak kesit yoğunluğu ve spektral şekli haritalandırmaktadır. Tek frekanslı bir lazer kaynağı absorpsiyon bandı boyunca tarandığında, titreşim bandının tüm çizgi şekli karakterize edilerek gazın kesin moleküler konsantrasyonu belirlenebilmektedir. Her ne kadar TDLAS terimi “diyot” kelimesini içerse de, gerekli dalga boyları ve ayarlanabilirlik aralıkları nedeniyle bu uygulamalarda QCL’ler daha yaygın olarak tercih edilmektedir. Ayrıca, birçok gazın ultraviyole (UV) ve görünür bölgede de elektronik absorpsiyon bantları bulunmasına rağmen, Rayleigh saçılması nedeniyle bu dalga boyları uzaktan algılama uygulamaları için verimli bir kullanım sunmamaktadır.
Şekil 5. Atmosferik geçiş spektrumu ve kritik gaz absorpsiyon bantlarında çeşitli DFB-QCL’lerin ayarlanabilir dalga boyu aralıkları.
Kızılötesi Karşı Önlemler
Isı güdümlü füze teknolojisinin ilk günlerinden itibaren kızılötesi güdüm sensörlerini yanıltmaya yönelik karşı önlemler geliştirilmeye çalışılmaktadır. Başlangıçta, pilotların saldırı altındayken bırakabileceği alev fişekleri ile sınırlı olan bu teknoloji, kısa sürede modern FT-IR spektrometrelerinde kullanılan globar’a benzer şekilde yeniden kullanılabilir ısı kaynaklarına evrilmiştir. Bu cihazlar yalnızca yeniden kullanılabilir olmakla kalmayıp, aynı zamanda tüm görev süresince aktif kalabilme avantajı sunmaktadır.
1997 yılında, QCL’in icadından kısa bir süre sonra, Amerika Birleşik Devletleri Donanması ilk lazer bazlı kızılötesi karşı önlemlerden birinin patentini almıştır. Patentte, iki lazerin optimum dalga boylarının ~4 μm ve ~5 μm civarında olması gerektiği açıkça belirtilmektedir, çünkü bu dalga boyları modern kızılötesi güdüm sensörlerinin çalışma dalga boylarıyla örtüşmektedir. Tüm ısı güdümlü füzeler, bu dalga boylarında çalışmaktadır çünkü atmosferik pencereler ile uyumlu olmakta (Şekil 5’te gösterildiği gibi), 10 μm civarındaki kara cisim (blackbody) radyasyonundan etkilenmeyecek kadar kısa ve yakın kızılötesindeki (near-infrared) güneş radyasyonundan etkilenmeyecek kadar uzun bir dalga boyu aralığında yer almaktadır. Bu bölgede QCL’ler, hafif, verimli ve kompakt olabilen tek gerçek lazer kaynağı olduğundan, kızılötesi karşı önlemler için tercih edilen lazerler haline gelmektedir. Önceki iki uygulamanın aksine (iz gaz tespiti ve absorpsiyon spektroskopisi), kızılötesi karşı önlemler yüksek güçlü QCL’ler kullanılmaktadır.
Şekil 6.QCL uygulama alanına ait görsel
Serbest Uzay İletişimi
Fiber, kablo tabanlı ve radyo iletişim teknolojileri ile kıyaslandığında serbest uzay optik iletişimi birçok avantaj sağlamaktadır. Kablo tabanlı iletişim yolların kazılması ve altyapının oluşturulması gibi birçok pahalı hizmetlere ihtiyaç duyarken serbest uzay iletişimi açık görüş hattı (line of sight) teknolojisine dayandığından kurulumu için minimum maliyet ve zaman gerekmektedir. Taşınabilirlik ve minimuma düşürülmüş altyapı maliyetleri göz önüne alındığında özellikle geçici bağlantılar için oldukça önemli ve pratiktir. Geleneksel radyo frekans kablosuz iletişim sistemleri ile karşılaştırıldığında orta kızılötesi lazer tabanlı sistemler daha geniş bant aralığı, yüksek yönlülük ve sinyal görünmez olduğundan demetin gerçek yolu bilinmediği sürece kesmek çok zor olduğundan güvenlik gayet yüksektir. Mevcut ticari serbest uzay iletişim sistemleri yakın kızılötesi ve görünür bölgede yapılmaktadır ki hava durumuna karşı hassasiyet ve havadaki duman, sis ve kirli havadaki parçacıklardan saçılma gibi durumlar dolayısıyla servis problemi yaşanmaktadır. Orta kızılötesi serbest uzay teknolojisi 3-5 µm ve 8-13 µm atmosferik pencerelerindeki yüksek geçirgenlik avantajıyla tasarlanmıştır.
Şekil 7. QCL uygulama alanına ait görsel
Sağlık
QCL tabanlı sistemler, büyüyen tıbbi teşhis alanında da geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. 3–12 μm bölgesinde, biyolojik dokuyu oluşturan çeşitli moleküllerin temel titreşimleri sayesinde belirgin ve güçlü absorpsiyon zirveleri ortaya çıkmaktadır. Bu doğrultuda, biyolojik doku, bu moleküllerin oluşturduğu absorpsiyon spektrumu (“parmak izi spektrumu”) incelenerek analiz edilebilmekte, böylece bileşen moleküllerinin tanımlanması ve içeriklerinin belirlenmesi mümkün olabilmektedir.
Orta kızılötesi absorpsiyon spektroskopisi kullanılarak, kandaki veya hücreler arası sıvıdaki proteinler, şekerler ve lipidler gibi bileşenler invazif olmayan bir şekilde analiz edilebilmektedir. Bu nedenle, kan örneği almaya gerek kalmadan, yerinde ve gerçek zamanlı sağlık kontrolleri gerçekleştirebilen sağlık sistemlerinin geliştirilmesi beklenmektedir. Örneğin, hastanın nefesinde bulunan iz gazlar, diyabet, astım ve diğer solunum problemlerinin yanı sıra böbrek ve karaciğer fonksiyon bozukluklarını belirleyebilmekte ve sürekli olarak yeni biyobelirteçler keşfedilmektedir.
QCL spektroskopisi, yüzey katmanlarının kimyasal analizine de olanak tanımaktadır. Örneğin, ortopedik implantların yüzeyine uygulanan özel osteofilik kaplamalar, implantların insan dokusu tarafından kabulünü iyileştirmek amacıyla analiz edilebilmektedir.
Şekil 8. QCL uygulama alanına ait görsel
CÜNAM’ın Projeleri
CÜNAM ekibi olarak, lazer teknolojileri alanındaki yenilikçi çalışmalarımıza QCL (Kuantum Çağlayan Lazer) teknolojisi üzerine odaklanarak önemli katkılar sunmaktayız. Günümüzde artan uygulama alanları ve yeni teknolojik potansiyellerle birlikte QCL’in stratejik önemi giderek artmaktadır. Bu kapsamda, ülkemizin önde gelen savunma sanayi firmalarından biri olan Transvaro Elektron Aletleri Sanayi ve Ticaret A.Ş. ile QCL teknolojisinin geliştirilmesine yönelik iş birliği çalışması yapılmıştır. Buna ek olarak, TÜBİTAK 1004 – Mükemmeliyet Merkezi Destek Programı kapsamında 22AG074 numaralı ve “Kuantum Çağlayan Lazerler, Aygıtlar ve Uygulamaları (Kuantay)” isimli proje, CÜBAP MRK-2022-003 numaralı Orta Kızılötesi Bölgede Işıma Yapan AlGaAs/GaAs Tabanlı Kuantum Çağlayan Lazer Kristallerinin Üretimi isimli proje başarıyla yürütülmüştür. MFAG-124F404 numaralı Uzun Dalgaboylu Gaas/Algaas Tabanlı Kuantum Çağlayan Lazer Sisteminin Büyütülmesi, Karakterizasyonu Ve Fabrikasyonu isimli proje 2025 yılı itibariyle TUBİTAK tarafından desteklenmeye hak kazanmıştır.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/an/c9an02354b/unauth
Tez: GasMBE Growth and Characterization of Strained Layer InP-GaInAs-AlInAs Quantum Cascade Lasers
Tez: InxGa1-xAs/InyAl1-yAs TABANLI KUANTUM ÇAĞLAYAN LAZER YAPILARININ BÜYÜTÜLMESİ VE KARAKTERİZASYONU