क्वांटम वेल लेजर

क्वांटम कूप लेजर एक लेज़र डायोड है जिसमें उपकरण का सक्रिय क्षेत्र इतना संकीर्ण होता है कि क्वांटम कारावास होता है।लेजर डायोड यौगिक अर्धचालक सामग्री से बनते हैं जो प्रकाश को कुशलता से उत्सर्जित करने में सक्षम होते हैं। क्वांटम कूप लेजर द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य उन सामग्रियों को केवल ऊर्जा अंतराल के अतिरिक्त सक्रिय क्षेत्र की चौड़ाई से निर्धारित किया जाता है, जहां से इसका निर्माण किया जाता है। इसका तात्पर्य यह है कि एक विशेष अर्धचालक सामग्री का उपयोग करके पारंपरिक लेजर डायोड की तुलना में बहुत कम तरंग दैर्ध्य क्वांटम कूप लेजर से प्राप्त किया जा सकता है।क्वांटम कूप लेजर की दक्षता भी स्थिति के कार्य घनत्व के चरणबद्ध विधि के कारण पारंपरिक लेजर डायोड से भी अधिक है।

क्वांटम कूप की अवधारणा की उत्पत्ति
1972 में, चार्ल्स एच। हेनरी, एक भौतिक विज्ञानी और अर्धचालक विद्युत्कीय अनुसंधान विभाग के नवनियुक्त प्रमुख घंटी प्रयोगशालाएँ, एकीकृत प्रकाशिकी के विषय में गहरी रुचि थी, प्रकाशीय परिपथ का निर्माण प्रकाश तरंग पथनिर्धारित्र में यात्रा करता है।

तत्पश्चात उस वर्ष तरंग पथनिर्धारित्र के भौतिकी को इंगित करते हुए, हेनरी की गहन अंतर्दृष्टि थी। उन्होंने महसूस किया कि एक दोहरे विषमचय न केवल हल्की तरंगों के लिए एक तरंग पथनिर्धारित्र है, अपितु एक साथ इलेक्ट्रॉन तरंगों के लिए भी है। हेनरी क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों पर आकर्षित कर रहा था, जिसके अनुसार इलेक्ट्रॉनों के कणों और तरंगों के रूप में व्यवहार करते हैं।उन्होंने एक तरंगपथनिर्धारित्र द्वारा प्रकाश के परिरोध और इलेक्ट्रॉनों के परिरोध के बीच एक पूर्ण सादृश्यता को एक दोहरे विषमचय में उर्जा अंतराल के अंतर से बनता है। सीएच.एच.हेनरी को ज्ञात हुआ कि, जिस तरह असतत मोड होते हैं, जिसमें प्रकाश एक तरंगपथनिर्धारित्र के भीतर यात्रा करता है, संभावित कूप में असतत इलेक्ट्रॉन तरंग कार्य मोड में होना चाहिए, प्रत्येक में एक अद्वितीय ऊर्जा स्तर होता है। उनके अनुमान से पता चला कि यदि विषमचय की सक्रिय परत कई दसियों नैनोमीटर के रूप में पतली है, इसलिए इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का स्तर मिलि-इलेक्ट्रॉन विभव के दसियों से अलग हो जाएगा। ऊर्जा स्तर के विभाजन की यह मात्रा अवलोकन योग्य है। हेनरी ने जो संरचना का विश्लेषण किया है, आज उसे क्वांटम कूप कहा जाता है।

हेनरी यह गणना करने के लिए आगे बढ़े कि यह परिमाणीकरण कैसे इन अर्धचालकों के प्रकाशीय अवशोषण गुणों को बदल देगा। उन्होंने यह ज्ञात किया कि, प्रकाशीय अवशोषण के अतिरिक्त सुचारू रूप से बढ़ने के रूप में यह साधारण अर्धचालकों में होता है, एक पतली विषमचय जब प्लॉट के विरुद्ध फोटॉन ऊर्जा का अवशोषण चरणों की एक श्रृंखला के रूप में दिखाई देता है ।

हेनरी के योगदान के अतिरिक्त, क्वांटम कूप (जो कि एक प्रकार का डबल-हेट्रोस्ट्रक्चर लेजर है) वास्तव में पहली बार 1963 में हर्बर्ट क्रॉमर द्वारा आईइइइ की कार्यवाही में प्रस्तावित किया गया था और साथ ही साथ 1963 में जेड एच् आई अल्फेरोव द्वारा यूo एसo एसo आरo में आर.एफ.काज़रिनोव। अल्फेरोव और क्रॉमर ने अर्धचालक विषमचय में अपने कार्य के लिए 2000 ईo में एक नोबेल पुरस्कार साझा किया।

क्वांटम कूप का प्रयोगात्मक सत्यापन
1973 के प्रारम्भ में, हेनरी ने अपने विभाग के एक भौतिक विज्ञानी रेमंड डिंगल को प्रस्तावित किया, और वह इन पूर्वानुमानित चरणों की तलाश करता है की कैसे बहुत पतला आणविक किरण पुंज का उपयोग करके डब्ल्यू विगमैन द्वारा विषमचय बनाए गए थे,एवं चरणों का नाटकीय प्रभाव आगामी समय में देखा गया था, जो1974 में प्रकाशित हुआ ।

क्वांटम कूप लेजर का आविष्कार
इस प्रयोग के बाद अनुमानित क्वांटम कूप से ऊर्जा के स्तर की वास्तविकता दिखाई गई, हेनरी ने एक आवेदन के बारे में सोचने का प्रयास किया । उन्होंने अनुभव किया कि क्वांटम कूप संरचना अर्धचालक के स्थिति के घनत्व को बदल देगी, और परिणाम में सुधार होगा अर्धचालक लेजर सीमा तक पहुंचने के लिए कम इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रॉन होल की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, उन्होंने अनुभव किया कि लेजर तरंग दैर्ध्य पतली क्वांटम कूप परतों की मोटाई को संपादित कर केवल बदला जा सकता है, जबकि पारंपरिक लेजर में तरंग दैर्ध्य के परत की रचना में संपादन की आवश्यकता है। इस तरह के एक लेजर का उन्होंने तर्क दिया,कि उसकी तुलना में उन्नत प्रदर्शन विशेषताएं होंगी एवं उसी समय से मानक में दोहरे विषमचय का लेजर बनाया जा रहा है।

डिंगल और हेनरी ने इस नए प्रकार के अर्धचालक लेजर पर एकस्व प्राप्त किया, जिसमें एक चौड़ी उर्जा अन्तराल परतों की एक जोड़ी थी, जिसमें उनके बीच एक सक्रिय क्षेत्र मध्यारहित होता है, जिसमें सक्रिय परतें पर्याप्त पतली होती हैं जिसमे लगभग 1 से 50 नैनोमीटर, क्वांटम स्तरों को अलग करने के लिए इलेक्ट्रॉनों में से एक में सीमित है। ये लेजर सक्रिय परतों की मोटाई को संपादित तरंग दैर्ध्य ट्यूनबिलिटी का प्रदर्शन करते हैं। इसमें यह भी वर्णित है कि इलेक्ट्रॉन स्थिति घनत्व की संशोधन के परिणामस्वरूप सीमा में कमी की संभावना है। एकस्व 21 सितंबर,1976 को जारी किया गया था, जिसमें विषमचय लेजर, यू.एस. एकस्व नंबर 3,982,207 में क्वांटम इफेक्ट्स थे। क्वांटम कूप लेज़रों को पारंपरिक दोहरे विषमचय की तुलना में सीमा तक पहुंचने के लिए कम इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की आवश्यकता होती है, लेजर कूप से प्रारूप किए गए क्वांटम कूप लेजर में एक अत्यधिक न्यूनतम सीमा तक हो सकती है।

इसके अतिरिक्त, चूंकि क्वांटम दक्षता अत्यधिक प्रकाशीय अवशोषण द्वारा सीमित है इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों में बहुत उच्च क्वांटम क्षमताओं को क्वांटम कूप लेजर के साथ प्राप्त किया जा सकता है।

सक्रिय परत की मोटाई में कमी की क्षतिपूर्ति करने के लिए, समान क्वांटम कूप की एक छोटी संख्या का उपयोग प्रायः किया जाता है। जिसे विविध-क्वांटम कूप लेजर कहा जाता है।

प्रारंभिक प्रदर्शन
क्वांटम कूप लेजर शब्द 1970 के दशक के उत्तरार्ध में निक होलोनीक और उनके छात्रों द्वारा इलिनोइस विश्वविद्यालय में उरबाना चैम्पेन में प्रयोग किया गया था, क्वांटम कूप लेजर संचालन का पहला अवलोकन 1975 में बेल प्रयोगशाला में किया गया था । पहला विद्युत पंप इंजेक्शन क्वांटम कूप लेजर में देखा गया था 1977 में उरबाना चैम्पेन समूह में इलिनोइस विश्वविद्यालय के सहयोग से, रॉककूप अंतर्राष्ट्रीयपी डैनियल डैपकस और रसेल डी डुपुइस द्वारा अर्धचालक परतों को बनाने के लिए ओएमसीवीडी, ओएमवीपीइ, और एमओसीवीडी तकनीक। उस समय एमओवीपीइ तकनीक ने, बेल प्रयोगशाला द्वारा उपयोग किए जाने वाले आणविक किरण पुंज (एमबीइ ) की तुलना में उन्नत विकिरण क्षमता प्रदान की। तत्पश्चात, यद्यपि बेल प्रयोगशाला में टीसांग जीता, 1970 के दशक के अंत में और 1980 के दशक की प्रारम्भ में क्वांटम कूप लेज़रों के प्रदर्शन में नाटकीय सुधार का प्रदर्शन करने के लिए MBE तकनीकों का उपयोग करने में सफल रहा। टीसांग ने दिखाया कि,जब क्वांटम कूप को अनुकूलित किया जाता है, तो उनके पास वर्तमान में न्यूनतम सीमा विद्युत् होता है और वर्तमान में लाइट-आउट में परिवर्तित करने में बहुत उच्च दक्षता की आवश्यकता होती है, जिससे वे व्यापक उपयोग के लिए आदर्श बन जाते हैं।

वैकल्पिक रूप से पंप किए गए क्वांटम कूप लेजर के मूल 1975 के प्रदर्शन में 35 किग्रा/सेमी की सीमा शक्ति घनत्व था । अंततः, यह पाया गया कि किसी भी क्वांटम कूप लेजर में सबसे न्यूनतम व्यावहारिक धारा सीमा का घनत्व 40 एम्पीयर/सेमी वर्ग है, लगभग 1,000x की कमी। गैलियम आर्सेनाइड और इन्डियम फॉस्फाइड टुकड़ा के आधार पर क्वांटम कूप लेजर पर व्यापक काम किया गया है।यद्यपि, आज लेज़रों ने क्वांटम कूप और असतत इलेक्ट्रॉन मोड का उपयोग किया, जो सी.एच.हेनरी 1970 के दशक की प्रारम्भ में,एमओवीपीई और एमबीई दोनों तकनीकों द्वारा निर्मित, पराबैंगनी से टीएचजेड शासन तक विभिन्न प्रकार के तरंग दैर्ध्य में उत्पादित किए जाते हैं। सबसे छोटा तरंग दैर्ध्य लेजर गैलियम नाइट्राइड-आधारित सामग्रियों पर निर्भर करता है।सबसे लंबा तरंग दैर्ध्य लेजर क्वांटम कैस्केड लेजर प्रारूप पर निर्भर करता है।

क्वांटम कूप के अवधारणा की उत्पत्ति की कहानी, इसकी प्रायोगिक सत्यापन, और क्वांटम कूप लेजर का आविष्कार को हेनरी ने क्वांटम कूप में फोरवॉर्ड में अधिक विस्तार से बताया है लेजर, एड पीटर एस ज़ोरी द्वारा, जूनियर।

इंटरनेट का निर्माण
क्वांटम कूप लेजर महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे इंटरनेट फाइबर ऑप्टिक संचार के मूल सक्रिय तत्व (लेजर लाइट स्रोत) हैं। इन लेज़रों पर प्रारंभिक कार्य, अल-गास की दीवारों से बंधे हुए गैलियम आर्सेनाइड आधारित कूप पर केंद्रित है, लेकिन प्रकाशित रेशे द्वारा प्रेषित तरंग दैर्ध्य को नालियों का फॉस्फाइड आधारित कूप के साथ इंडियम फॉस्फाइड की दीवारों के साथ सबसे अच्छा हासिल किया जाता है। तारों में दफन किए गए प्रकाश स्रोतों का केंद्रीय व्यावहारिक मुद्दा उनके जीवनकाल को जलाने के लिए है। प्रारंभिक क्वांटम कूप लेज़रों का औसत बर्न-आउट समय एक सेकंड से भी कम था, ताकि कई प्रारंभिक वैज्ञानिक सफलताओं को दुर्लभ लेजर का उपयोग करके दिनों या हफ्तों के ज्वलंत समय के साथ हासिल किया गया। 1990 के दशक की शुरुआत में प्रकाशमान द्वारा व्यावसायिक सफलता प्राप्त की गई थी, जो कि Movpe Metalorganic vapor Phase epitaxy द्वारा क्वांटम कूप लेजर उत्पादन के गुणवत्ता नियंत्रण के साथ, जैसा कि जोआना (जोका) मारिया वैंडेनबर्ग द्वारा उच्च-रिज़ॉल्यूशन एक्स किरणों का उपयोग करके किया गया था।उसके गुणवत्ता नियंत्रण ने 25 साल से अधिक समय तक मंझला बर्न-आउट के साथ इंटरनेट लेज़रों का उत्पादन किया।

विविध क्वांटम कूप III-नाइट्राइड डायोड में वे तरंग दैर्ध्य के बीच एक अतिव्यापी क्षेत्र की सुविधा होती है जो वे उत्सर्जित करते हैं और पता लगाते हैं।यह उन्हें एक ही प्रकाशीय पथ के माध्यम से हवा पर एक विविध मार्ग संचार श्रृंखला बनाने के लिए एक प्रसारक और एक आदाता दोनों के रूप में एक साथ उपयोग करने की अनुमति देता है।