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

Abstract: 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.