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

The Quantum Cascade Laser (QCL) is a solid state source of coherent radiation in the tera-Hertz and mid-infrared parts of the electro-magnetic spectrum. In this thesis, I have used a non-equilibrium Green’s function (NEGF) model to theoretically investigate the quantum nature of the device operation, and compared simulation results to experiments. As simulations with the NEGF model are time-consuming, especially for mid-infrared QCLs owing to their large state space, the program has been parallelized to run on large computer clusters. Additional challenges of mid-infrared QCLs are increased interface roughness scattering and non-parabolicity effects, which have been included into the existing NEGF model. With this new model, simulation results in close agreement with experimental data has been produced for terahertz and mid-infrared lasers employing various design schemes.

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 vardag 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 tiotusendedel 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 La-
ser). 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 användas för att upptäcka mycket små mängder sprängämnen, diagnostisera patienter
genom utandningsluften, följa koncentrationen av växthusgaser och föroreningar 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 genom 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 underlätta 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 fantastiskt med fysik: att försöka förstå naturen och använda denna kunskap för att förbättra människors liv.