Bättre miljö med kvantkaskad-laser

Billig gasanalys i realtid ser ut att bli möjlig tack vare en ny typ av halvledarlaser baserad på kvantkaskad-teknik.

Efter mer än fem års forskning vid amerikanska Bell Labs är det nu klart att ett brett kommersiellt genombrott är i sikte för ett helt nytt slag av laser, kvantkaskad-laser (Quantum Cascade laser).

Med dessa lasrar går det för första gången att bygga billiga och mycket känsliga sensorsystem i mycket stor skala. Det går därmed att införa billig analys i realtid av gaser; vid sopförbränning, vid industriella processer, av bilavgaser och inom det medicinska området.

- Inom fem år borde kommersiella produkter finnas på världsmarknaden, säger Björn Broberg, expert på optisk teknik vid Kistaföretaget Altitun AB.

Efter flera års forskningsarbete är nu forskarvärlden övertygad om att den nya tekniken och uppfinningen från 1994 verkligen kommer att fungera som förväntat. I höst har de två uppfinnarna vid Bell Labs, Federico Capasso och Jerome Faist, belönats för sin uppfinning av IEEE/Lasers and Elecro-Optics Society. Capasso har även fått andra belöningar i höst och allt handlar om att forskarvärlden nu verkligen tror att uppfinningen av kvantkaskad-lasern verkligen kommer att omsättas i produkter och därmed få mycket stor betydelse för mänskligheten.

Broberg påpekar att det ofta tar ett antal år från uppfinning av ny teknik till dess att det verkligen är klart att kommersiella massproducerade produkter är i sikte.

- Uppfinningen av kvantkaskad-lasern var en genialisk uppfinning. Capasso och hans forskargrupp har nu arbetat vidare för att få tekniken att fungera, säger Broberg.

Med traditionell teknik tas i princip ett prov av en gas med en pump. Detta prov förs till ett laboratorium och normalt tar det sedan en timme innan analysen är klar.

Tiofaldigad prestanda

Sedan en tid tillbaka finns produkter baserade på billig, konventionell halvledarteknik som används för analysen och då kan realtidsövervakning klaras. I dessa sensorsystem finns halvledarlasrar av ungefär samma typ som i vanliga cd-spelare.

Med kvantkaskad-lasern får man en prestandaförbättring för känsligheten i sensorsystemet som kan uppgå till flera tiopotenser, jämfört med dagens sensorsystem byggda kring traditionella halvledarlasrar.

Med kvantkaskad-lasrar kan det bli ekonomiskt möjligt att sätta upp ett övervakningssystem vid varje motorvägsavfart och mäta bilavgaserna. Om mättekniken blir tillräckligt bra kanske man till och med kan ta en bild av det fordon som överskrider gränsvärdet.

Den nya lasern är fundamentalt annorlunda jämfört med traditionella halvledarlasrar som används i fiberoptiska kommunikationssystem eller cd- spelare. Kvant-kaskad-tekniken baseras på att mycket tunna skikt av indiumaluminiumarsenid (InAlAs) och indiumgalliumarsenid (InGaAs) läggs ovanpå varandra. Genom att variera tjockleken på det aktiva skiktet kan lasern ställas in på olika våglängder.

Tack vare kvantkaskad-tekniken kan dessutom en enda laser klara att samtidigt sända flera ljussignaler på olika våglängder, vilket är ytterligare en fördel. Bell Labs demonstrerar nu ett system som klarar tre våglängder samtidigt.

I Sverige och Norge finns flera företag som utvecklar sensorsystem inom området. Enligt Björn Broberg är det sannolikt att de kommer att börja använda den nya teknik som Bell Labs utvecklat.

Göte Andersson