Laserlicht uit een quantumwaterval

Toen het artikel over de eerste werkende laser in 1960 door zijn uitvinder Theodore Maiman werd aangeboden aan het tijdschrift Physical Review Letters werd het in eerste instantie afgewezen, omdat het niet voldoende bij zou dragen aan 'basic physics'. Tegenwoordig worden lasers op zo ongeveer alle gebieden van natuurwetenschap ingeschakeld. Daarnaast zijn lichtbronnen als de halfgeleiderlaser, die ook al in 1962 voor het eerst werd gepresenteerd, ook technisch belangrijk geworden. Ze zijn essentieel voor compact disc spelers en communicatiesystemen gebaseerd op lichtvezels.

Het is dan ook niet verwonderlijk dat de ontdekking van een revolutionaire halfgeleiderlaser met veel fanfare wordt aangekondigd. Onderzoekers van AT&T Bell Labs in New Jersey hebben onlangs een manier gevonden om met behulp van halfgeleiders laserlicht te genereren waarvan de golflengte niet meer afhankelijk is van de atomaire samenstelling ervan, maar van de manier waarop het in verschillende lagen is gestapeld. Dat opent weidse perspectieven om laserlicht te maken van kleuren die tot nu toe moeilijk of zelfs helemaal niet bereikbaar waren (Science, 22 april).

Excitatiebron

Elke laser bestaat in essentie uit drie elementen: een lichtgevend materiaal, een excitatiebron en een trilholte, in zijn meest simpele uitvoering gevormd door twee spiegels. In de eerste stap worden de atomen of moleculen aangeslagen en wel zodanig dat er een populatie-inversie ontstaat: waar normaal gesproken het grootste gedeelte van de atomen zich in de energetisch laagste of grondtoestand bevindt, zijn er na een populatie-inversie meer in de aangeslagen toestand. Een enkel foton van de juiste golflengte kan nu in een klap al deze aangeslagen atomen of moleculen tot het uitzenden van licht bewegen, een proces dat gestimuleerde emissie heet. Het licht van dat foton wordt zo dus vele malen versterkt: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation oftewel Laser.

De golflengte van het licht wordt bijna volledig bepaald door de eigenschappen (de chemische samenstelling) van de stof die licht geeft. In de allereerste lasers was dat een positief geladen chroom-ion, zoals dat aanwezig is in de edelsteen robijn, maar in principe kunnen zowel gassen, vloeistoffen als vaste stoffen als lasermedium dienst doen. Tegenwoordig zijn vooral de zogenaamde diode- of halfgeleiderlasers erg polulair. Deze infrarode lichtbronnen zijn gemakkelijk te fabriceren, goedkoop en bovendien betrouwbaar en eenvoudig in het gebruik.

De grondtoestand in zo'n halfgeleider wordt de valentieband genoemd, terwijl de aangeslagen toestand de geleidingsband heet. Pas wanneer een elektron in die valentieband door absorptie van energie in die geleidingsband terecht komt, kan er sprake zijn van geleiding. Nu zijn halfgeleiders er in twee soorten, het n- en p-type. In de eerste zorgen geringe hoeveelheden donor-atomen ervoor dat elektronen in de geleidingsband komen, terwijl in een p-type halfgeleider acceptor-atomen juist een elektron opnemen, waardoor een gat in de valentieband ontstaat. Ook dergelijke gaten dragen bij aan de geleiding van een elektrische stroom.

Van p naar n

Laserlicht wordt gegenereerd wanneer een gat een elektron tegenkomt. In een diode-laser worden een n-type en een p-type materiaal tegen elkaar aan geplaatst, waardoor op de grens gaten en elektronen kunnen recombineren. Een elektrische spanning zorgt ervoor dat de gaten (van p naar n) en elektronen (van n naar p) voortdurend in beweging blijven. De golflengte van het uitgezonden licht wordt ook in dit geval bepaald door het energieverschil tussen de banden in de halfgeleider. Een nadeel daarvan is dat bepaalde kleuren onmogelijk te maken zijn. In de nu ontwikkelde halfgeleider-laser is dat helemaal anders. Deze quantum-cascade laser maakt gebruik van een opeenstapeling van uiterst dunne laagjes halfgeleidermateriaal, die zogenaamde quantum-putten vormen. Omdat de dikte van de laagjes vergelijkbaar is met de golflengte (energie) van de elektronen, kunnen alleen elektronen met heel specifieke energieen zich in zo'n laagje ophouden. Overgang van het ene naar het andere laagje (met een andere dikte) is in principe verboden: elektronen worden tegengehouden door een energiebarriere. Maar in de quantummechanica is niets helemaal verboden en door dwars door de barriere te tunnelen kunnen elektronen toch overspringen. Het energieverschil dat bestaat tussen de twee laagjes wordt daarbij 'uitgestraald' in de vorm van licht.

Laagje voor laagje

Hoewel de eerste ideeen voor deze nieuwe laser al werden geopperd in het begin van de jaren zeventig, heeft toch nog lang geduurd voor een werkend exemplaar beschikbaar kwam. Dat is grotendeels te wijten aan het feit dat het lang onmogelijk is geweest om halfgeleidermateriaal heel nauwkeurig laagje voor laagje neer te leggen. Pas met geavanceerde technieken als Moleculaire Bundel Epitaxie, waarmee bijna atoom voor atoom een halfgeleider kan worden opgebouwd, is het dan nu eindelijk gelukt.

De laser bestaat uit 25 actieve gebiedjes, die elk voor zich weer uit een sandwich van drie, slechts enkele nanometers dikke laagjes zijn opgebouwd. De twee buitenste laagjes, die zorg dragen voor de aan- en afvoer van elektronen, bestaan uit aluminium indium arsenide, terwijl de middelste, optisch 'actieve', laag gemaakt is van indium gallium arsenide. Doordat zoveel sandwiches achter elkaar zijn geplaatst, als de verschillende niveaus van een waterval, treedt zeer effectief versterking op. De golflengte van de laser kan nu worden afgestemd door de dikte van de laagjes te varieren. Men is daardoor niet meer afhankelijk van de intrinsieke eigenschappen van het materiaal!

Hierdoor komt een deel van het infrarode spectrum, dat tot nu toe onbereikbaar was, beschikbaar voor wetenschappelijk onderzoek. Dit opent ongekende mogelijkheden voor het detecteren van verontreinigingen in de atmosfeer, die slechts voor heel specifieke golflengtes transparant is. De leider van het team van Bell Labs, Federico Capsso, is echter voorzichtig en geeft aan dat het nog enkele jaren kan duren voordat de nieuwe laser echt technologisch toepasbaar is. Zo werkt hij nu alleen nog bij temperaturen vlak boven het kookpunt van stikstof (ongeveer min 180 graden Celsius). De eerste prototypes zijn namelijk nog zo inefficient, dat zeer hoge elektrische stromen nodig zijn, die weer aanleiding geven tot veel restwarmte. Gezien het feit dat de nieuwe laser pas drie maanden oud is, is er voldoende reden tot optimisme.