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量子级联激光器(QCL)简介

激光器的发展里程碑如下:1960年发明的固态激光器和气体激光器,1962年发明的双极型半导体激光器和1994年发明的单极型量子级联激光器(QCL)是激光领域的三个重大革命性里程碑。


量子级联激光器的工作原理与通常的半导体激光器截然不同,它打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制,其发光波长由半导体能隙来决定,填补了半导体中红外激光器的空白。QCL受激辐射过程只有电子参与,其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转,从而实现单电子注入的多光子输出,并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长。



量子级联激光器比其它激光器的优势在于它的级联过程,电子从高能级跳跃到低能级过程中,不但没有损失,还可以注入到下一个过程再次发光。这个级联过程使这些电子 "循环"起来,从而造就了一种令人惊叹的激光器。因此,量子级联激光器的发明被视为半导体激光理论的一次革命和里程碑。



# 量子级联激光器的特点


量子级联激光理论的创立和量子级联激光器的发明使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能。一般而言,量子级联激光器系统包括量子级联激光模块,控制模块以及接口模块。量子级联激光器从结构上来说,可以分为分布反馈(Distributed Feedback)QCL,F-P(Fabry-Perot)QCL 和外腔(External Cavity)QCL。量子级联激光器由于其独特的设计原理使其具有如下的独特优势:


1:可以提供超宽的光谱范围(mid IR to THz)。


2:极好的波长可调谐性。


3:很高的输出功率,同时也可以工作在室温环境下。


目前国际上已研制出3.6~19μm 中远红外量子级联激光器系统。随着技术的进步,目前量子级联激光器不但能以脉冲的方式工作,而且可以在连续工作的方式输出大功率激光。激光模块将QC 激光器装进一个气密性封装内,最大限度的保护了激光器的性能和寿命。


量子级联激光器的分类:


QCL激光器的基本结构包括FP-QCL(上图)、DFB-QCL(中图)和ECqcL(下图)。增益介质显示为灰色,波长 选择机制为蓝色,镀膜面为橙色,输出光束为红色。


1.最简单的结构是F-P腔激光器(FP-QCL)。在F-P结构中,切割面为激光提供反馈,有时也使用介质膜以优化输出。


2.第二种结构是在QC芯片上直接刻分布反馈光栅。这种结构(DFB-QCL)可以输出较窄的光谱,但是输出功率却比FP-QCL结构低很多。通过最大范围的温度调谐,DFB-QCL还可以提供有限的波长调谐(通过缓慢的温度调谐获得10~20cm-1的调谐范围,或者通过快速注进电流加热调谐获得2~3cm-1的范围)。


3.第三种结构是将QC芯片和外腔结合起来,形成ECqcL。这种结构既可以提供窄光谱输出,又可以在QC芯片整个增益带宽上(数百cm-1)提供快调谐(速度超过10ms)。由于ECqcL结构使用低损耗元件,因此它可在便携式电池供电的条件下高效运作。


# 滨松QCL激光器的特点:


滨松QCL激光器波长在4um-10um之间。


滨松QCL激光器的结构特点


单极型:只通过一种载流子进行能级跃迁从而发射出固定波长的光,通过调整各阱的宽度和间隔进行n3到n2能级调整,从而调整对应激光出射波长,n2到n1出射一个光学声子,n1与下一个周期的n3对齐,所出射的光学声子辅助隧穿过微带,微带形成的布拉格反射层有阻断光在其传播的特点。


DFB( Distributed Feedback Laser),即分布式反馈激光器,其不同之处是内置了布拉格光栅(Bragg Grating),属于侧面发射的半导体激光器。布拉格光栅(Bragg Grating)是用来滤除杂光、压窄激光线宽的器件。激光线宽是激光器输出纵模的宽度,计算公式为:


df=(c/λ2)×dλ


DFB激光器的线宽普遍在1MHz以内。


滨松QCL激光器的性能特点


1.出射激光功率稳定精确,无模跳(频率单一,单纵模),室温工作。


2.窄线宽可以达到<0.01nm 的分辨率,远大于普通滤波片的带宽20nm。可以清晰的分辨出被测气体的吸收峰和被测量。


滨松QCL激光器分类(8个可调谐波段QCL标准品)


DFB-CW QCL:TEC、AirCooling、WaterCooling、ZnSe球面镜聚焦。出射光平均功率在20mW


DFB-Pulse QCL:同样的配置。出射光峰值功率在50mW。


可调谐波长为10nm-20nm,调谐方式有两种:1.改变驱动电流:电流增大,波长增加 2.改变温度:改变光栅温度从而改变折射率,温度升高,波长增大。


滨松QCL激光器优势


发光效率高,在常温下25℃就可以发光。对手产品需要制冷至-20℃才可以发光。


滨松QCL激光器结构


金属层(散热)、光栅收光层(改变折射率)、发光有源层。有源区由34层70nm厚度结构的InGaAs/InAlAs组成,共厚约3μm。


滨松QCL激光器应用


可分为环境方面和工业方面


环境方面:空气污染物,全球变暖,土壤化肥等。针对全球变暖温室气体,如CO2可以达到390ppm级别、CH4可以达到1800ppb级别、N2O可以达到320ppb级别。其中从成本考虑主要为SO2探测。


工业方面:火电厂检测、天然气精炼、汽车引擎评测等。QCL的优势在于可以分辨出不同元素的同位素吸收谱,这样可以更好的分析出源头在什么地方。


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