Donna Cunningham
802-482-3748 (офис) 802-482-2933 (домашний)donnac@lucent.com
Carl Blesch
908-582-7474 (офис)
908-306-0784 (дом)cblesch@lucent.com
ДЛЯ ВЫПУСКА ВТОРНИК, 20 МАЯ 1997 ГОДА
МЮРРЕЙ ХИЛЛ, Нью-Джерси. Ученые Bell Labs продемонстрировали первый в мире полупроводниковый датчик на основе лазера, который работает при комнатной температуре и высокой мощности для обнаружения мельчайших количеств (потенциально частей на миллиард) газовых примесей. или загрязняющие вещества путем сканирования их оптически-поглощающих «отпечатков пальцев»."
Газы или загрязняющие вещества можно идентифицировать по их длинам волн поглощения, которые зависят от их химической природы. Невидимые, но красноречивые отпечатки пальцев можно обнаружить, сфокусировав датчик на определенной области и точно настроив длину волны лазера до тех пор, пока его свет не будет поглощен.
«Это большое достижение, - сказал Аластер Гласс, директор исследовательской лаборатории фотоники Bell Labs. «Диапазон настройки и пиковая мощность этих прототипов лазерных датчиков беспрецедентны для полупроводниковых лазеров среднего ИК-диапазона - примерно в 10 и 100 раз лучше, соответственно, чем у коммерческих лазеров этого типа - все они должны охлаждаться».
Экспериментальный датчик основан на новом квантово-каскадном (QC) лазере, изобретенном в Bell Labs всего три года назад и продемонстрированном при комнатной температуре в прошлом году. Новейшие версии могут непрерывно настраиваться для работы в широком диапазоне одиночных частот в средней инфракрасной области электромагнитного спектра, области, в которой свет невидим и вызывает тепло.
Длина волны лазера определяется несколькими факторами. При производстве изменение толщины слоев материала лазера задает его длину волны, а добавление решетки (вытравленного материала) поверх лазера делает длину волны более точной. При использовании регулировка температуры или электрического тока, подаваемого на лазер, изменяет его длину волны.
Использование датчика для обнаружения загрязняющих веществ включает, например, сканирование области над дымовой трубой и смещение длины волны лазера до тех пор, пока свет, пересекающий дымовую трубу, не попадет на «отпечаток пальца» загрязнителя и не подвергнется его воздействию.
«Эта работа открывает целую область неохлаждаемых, настраиваемых лазерных датчиков среднего и дальнего инфракрасного диапазона», - сказал Л. Н. Дурвасула, руководитель программы Управления оборонных наук Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA), которое частично финансировало работу. «Это революционная разработка для датчиков».
В исследовательскую группу Bell Labs входят Джером Фаист, Клэр Гмачл, Федерико Капассо, Карло Сиртори, Дебора Сивко, Джеймс Байарджон и Альфред Чо в сотрудничестве с профессором Эдвардом Уиттакером из Технологического института Стивенса в Хобокене, штат Нью-Джерси
«Мы рады, что очень быстро перешли от фундаментальных исследований к практическому применению», - сказал Федерико Капассо, глава отдела исследований квантовых явлений и устройств. «Технология, стоящая за всем этим, - это сочетание оптики, квантовой физики и роста кристаллов в лазере QC, и мы предвидим ряд рыночных возможностей для этих портативных, надежных устройств».
Потенциальные экологические приложения включают мониторинг загрязнения, определение автомобильных выбросов и диагностику сгорания; возможности правоохранительных органов, такие как обнаружение взрывчатых веществ или неорганизованных выбросов с мест незаконного изготовления наркотиков; военные приложения, такие как портативные датчики токсичных газов и биологических токсинов на поле боя; а также управление промышленными процессами, радар предотвращения столкновений и медицинские приложения.
Обычные полупроводниковые лазеры, работающие на длинах волн от ближнего инфракрасного до видимого, широко используются в других приложениях, таких как световая связь и проигрыватели компакт-дисков.
Подробная информация о лазерном датчике контроля качества с распределенной обратной связью опубликована в выпуске журнала Applied Physics Letters за эту неделю. Гмахл представит последние экспериментальные результаты исследовательской группы в выступлении после крайнего срока в четверг на совместной конференции по лазерам и электрооптике (CLEO '97) и конференции по квантовой электронике и лазерной науке (QELS '97) в Балтиморе.
Lucent Technologies проектирует, строит и поставляет широкий спектр общедоступных и частных сетей, систем связи и программного обеспечения, потребительских и корпоративных телефонных систем и компонентов микроэлектроники. Bell Labs - подразделение компании, занимающееся исследованиями и разработками. Дополнительную информацию о компании можно найти на
BELL LABS КВАНТОВО-КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Исследователи Bell Labs продемонстрировали непрерывно настраиваемые, одномодовые, мощные QC лазеры с распределенной обратной связью при комнатной температуре, работающие в среднем инфракрасном диапазоне (5 и 8.5 мкм) в импульсном режиме. Диапазон одномодовой перестройки обычно составляет 50 нанометров по длине волны, а пиковая мощность составляет 60 мВт, что на один и два порядка лучше, соответственно, чем у коммерчески доступных свинцово-солевых лазеров среднего ИК-диапазона..
Высокая пиковая мощность лазеров, 50 мВт при 300 градусах Кельвина, позволяет использовать неохлаждаемые детекторы и позволяет применять лидары (радар, использующий свет). Они особенно хорошо подходят для портативных надежных датчиков в таких приложениях, как точечное обнаружение следовых газов и дистанционное зондирование.
Лазеры QC изготавливаются с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), процесса выращивания материалов от Bell Labs, который позволяет создавать структуры со слоями толщиной всего в несколько атомов. Длина волны излучения QC-лазера изначально определяется эффектами квантового ограничения: тем фактом, что его слои настолько тонкие - обычно несколько нанометров или около 100 миллиардных долей дюйма, - что электроны сжимаются и изменяют свои квантово-механические свойства, позволяя диапазон возможных длин волн.
Лазеры с распределенной обратной связью включают решетку, которая позволяет дополнительно уточнять длину волны лазера, делая их плавно перестраиваемыми.
Лазеры QC были изобретены в Bell Labs в 1994 году. Их работа отличается от работы всех других лазеров. Они работают как электронный водопад: когда электрический ток течет через QC-лазер, электроны каскадом спускаются вниз по энергетической лестнице; каждый раз, когда они делают шаг, они испускают инфракрасный фотон или световой импульс.
На каждом шаге электроны совершают квантовый скачок между четко определенными энергетическими уровнями. Испускаемые фотоны отражаются туда и обратно между встроенными зеркалами, стимулируя другие квантовые скачки и испускание других фотонов. Этот процесс усиления обеспечивает высокую выходную мощность.
Bell Labs имеет долгую историю изобретений и инноваций в области лазеров, начавшуюся в 1958 году с публикации научной статьи, описывающей концепцию лазера нобелевскими лауреатами Артуром Шавлоу и Чарльзом Таунсом. Оба в то время работали в Bell Labs: Шавлов - исследователем, а Таунс - консультантом.
--Применение квантовых каскадных лазеров
Важные потенциальные коммерческие применения лазера QC, основанные на спектроскопическом обнаружении молекулярных частиц, включают зондирование и мониторинг окружающей среды с особым акцентом на мониторинг загрязнения и измерение качества воздуха, в частности:
· дистанционное обнаружение (в диапазоне от сотен метров до нескольких миль) химических веществ, таких как токсичные газы и пары, исходящих из промышленных дымовых труб, свалок и других мест опасных отходов. локальной концентрации опасных газов и паров и ближнего действия (от нескольких до десятков метров) для таких целей, как мониторинг автомобильных выбросов на въездах и съездах с автомагистралей и т. д., диагностика горения с помощью быстрого онлайн-мониторинга газов в выхлопных газах автомобилей, радар предотвращения столкновений, управление промышленными процессами, определение аммиака и водяного пара в сельском хозяйстве для контроля дозировок удобрений.
Принятие поправок к Закону о чистом воздухе (CAAA) 1990 г. привело к значительному увеличению потребностей в мониторинге окружающей среды. Большинство токсичных химических веществ (газов и паров), включенных в CAAA, имеют сильные характеристики поглощения в окнах прозрачности атмосферы с длинами волн от 3 до 5 микрон и от 8 до 13 микрон.
Другие области применения включают медицинскую диагностику, молекулярные часы, обнаружение гетеродинов лазерным радаром.
Военные приложения включают в себя датчики биологических токсинов и токсичных газов, таких как нервно-паралитический и горчичный газ, контрмеры и инфракрасную проекцию сцены, проверку договоров и т. д. В правоохранительной сфере обнаружение взрывчатых веществ и мест незаконного производства наркотиков среди возможных применений.
--