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量子级联激光器(Quantum cascade Laser,QCL)是基于半导体耦合量子阱子带(一般为导带)间的电子跃迁所产生的一种单极性光源。量子(quantum)指的是通过调整有源区量子阱的厚度可以改变子带的能级间距,实现对波长的“裁剪”,另外也指器件的尺寸较小。级联(cascade)的意思是有源区中上一组成部分的输出是下一部分的输入,一级接一级串联在一起。激光器(Laser)是指产生特定波长的光源。量子级联激光器的波长可以覆盖在军事、通信、气体检测等领域极具应用价值的中远红外波段。
量子级联激光器思想萌芽示意图量子级联激光器的思想萌芽是由前苏联科学家 Kazarinov R.和 Suris R.在 1971年提出的。如右图所示,在一定的偏压下,电子从量子阱子带间的基态跃迁到下一量子阱的激发态,并释放出光子,之后经非辐射弛豫跃迁到同一量子阱的基态,如此重复跃迁过程期望实现光的级联放大。这一思想原型为量子级联激光器的萌芽,但由于本身结构的设计缺陷以及材料生长技术的限制,这一思想并未在当时产生太大的涟漪。
世界上第一支量子级联激光器有源区能带示意图随着卓以和等人在材料生长技术(分子束外延技术)取得突破,以及 CapassoF.等人在结构设计理论上的发展,为量子级联激光器的诞生奠定了基础。世界上第一支量子级联激光器诞生于 1994 年的贝尔实验室,是由 Faist J.和 Capasso F.等人采用 InAlAs/InGaAs/InP 材料体系研制成的,其有源区的设计是三阱耦合斜跃迁结构,如右图所示。
自量子级联激光器诞生以后,许多研究小组开展了相关工作。量子级联激光器的工作温度、输出性能和波长覆盖范围在过去的 20 年取得了迅猛发展。其中,有两个里程碑,一个是 1997 年室温工作的分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的研制成功,实现了波长为 5.4μm 和 8μm 的 DFB-QCL 的室温工作,其中 5.4μm 的激光器 300K 时峰值功率为 60mW;另一个是 2002 年实现了波长为 9.1μm 量子级联激光器的室温连续工作,器件在 292K 时输出功率为17mW,最高连续工作温度为 321K。
量子级联激光器思想萌芽示意图量子级联激光器的思想萌芽是由前苏联科学家 Kazarinov R.和 Suris R.在 1971年提出的。如右图所示,在一定的偏压下,电子从量子阱子带间的基态跃迁到下一量子阱的激发态,并释放出光子,之后经非辐射弛豫跃迁到同一量子阱的基态,如此重复跃迁过程期望实现光的级联放大。这一思想原型为量子级联激光器的萌芽,但由于本身结构的设计缺陷以及材料生长技术的限制,这一思想并未在当时产生太大的涟漪。
世界上第一支量子级联激光器有源区能带示意图随着卓以和等人在材料生长技术(分子束外延技术)取得突破,以及 CapassoF.等人在结构设计理论上的发展,为量子级联激光器的诞生奠定了基础。世界上第一支量子级联激光器诞生于 1994 年的贝尔实验室,是由 Faist J.和 Capasso F.等人采用 InAlAs/InGaAs/InP 材料体系研制成的,其有源区的设计是三阱耦合斜跃迁结构,如右图所示。
自量子级联激光器诞生以后,许多研究小组开展了相关工作。量子级联激光器的工作温度、输出性能和波长覆盖范围在过去的 20 年取得了迅猛发展。其中,有两个里程碑,一个是 1997 年室温工作的分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的研制成功,实现了波长为 5.4μm 和 8μm 的 DFB-QCL 的室温工作,其中 5.4μm 的激光器 300K 时峰值功率为 60mW;另一个是 2002 年实现了波长为 9.1μm 量子级联激光器的室温连续工作,器件在 292K 时输出功率为17mW,最高连续工作温度为 321K。
量子级联激光理论的创立及量子级联激光器的发明,实现了半导体激光器的高特征温度,获得了高可靠性的中远红外波,以及高的输出功率。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 。
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,8.4μm 脉冲 QCL 工作温度已高于 150℃,而且可以在连续工作的方式输出达 500m W 的光功率。激光模块将QCL 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。
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,8.4μm 脉冲 QCL 工作温度已高于 150℃,而且可以在连续工作的方式输出达 500m W 的光功率。激光模块将QCL 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。
1994 年美国贝尔实验室采用分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy:MBE)发明了第一个单极型量子级联激光器(Quantum Cascade Laser:QCL,它是基于电子在导带子带间跃迁、且光学声子共振辅助隧穿原理实现粒子数反转,并辐射激光的。目前的中远红外单极型量子级联激光器已能覆盖 27.8~3802.3 cm-1(相
当于 2.63-360 µm)的波长范围。而我国中远红外量子级联激光器的研究始于 1995年,中科院半导体研究所于 2000 年研制出 2777.8~2857.1 cm-1(相当于 3.5~3.6 µm)的中红外 QCL 器件。[1]
传统半导体激光器是基于带间跃迁,在 p-n 结加正向偏压,实现电子和空穴之间的粒子数反转。此偏压将分别位于导带与价带中的电子与空穴注入到有源区,通过带间电子与空穴的复合产生激光;而量子级联激光器激光产生的过程仅有导带和其中的电子参与,实现有源区不同量子阱能级间的粒子数反转并辐射激光。此理论的提出是半导体物理理论的创新,它的发展与实验验证是量子阱能带工程与分子束外延技术和界面质量控制相结合的典范。[1]
当于 2.63-360 µm)的波长范围。而我国中远红外量子级联激光器的研究始于 1995年,中科院半导体研究所于 2000 年研制出 2777.8~2857.1 cm-1(相当于 3.5~3.6 µm)的中红外 QCL 器件。[1]
传统半导体激光器是基于带间跃迁,在 p-n 结加正向偏压,实现电子和空穴之间的粒子数反转。此偏压将分别位于导带与价带中的电子与空穴注入到有源区,通过带间电子与空穴的复合产生激光;而量子级联激光器激光产生的过程仅有导带和其中的电子参与,实现有源区不同量子阱能级间的粒子数反转并辐射激光。此理论的提出是半导体物理理论的创新,它的发展与实验验证是量子阱能带工程与分子束外延技术和界面质量控制相结合的典范。[1]
工业监控
在石油化工、金属冶炼、矿山开采等行业生产过程中,通过检测产生的相应气体的浓度可以进行进程监控,也可以监控泄露危险气体的浓度,以保障生产安全,已有技术采用 5.2μm QCL 对工业燃烧排气系统中产生的 NO 气体进行实时检测,并使用 7.8μm 的脉冲 QCL 对爆炸物产生的气体进行光学检测。
医学应用
有的疾病会造成人类呼出气体成分的异常升高,通过对呼出气体的种类和浓度进行准确的分析,可以对临床诊断和治疗提供有价值的参考,而且不必因为使用 CT 等仪器而引入过多的辐射。例如,患有糖尿病、肝脏和肾脏疾病的患者呼出的气体中 NH3浓度会出现异常,患有哮喘、心脑血管疾病的患者呼出气体中 CO浓度会增高,因而采用连续工作的 10.3μm的量子级联激光器对人体呼出的氨气浓度进行检测。
量子级联激光器输出功率较高
量子级联激光器有源区工作示意图(两个周期)比起中红外波段其它光源,QCL 的输出功率较高。不同的激光气体检测应用中会需要不同的功率,故激光器的高功率工作是非常必要的。改变工作电流就可以改变激光器的输出功率,高功率的激光器能够提供的功率范围大,可以满足更多的应用场景。QCL 输出功率较高的原因可以归结于其本身的有源区结构设计,其电子利用效率较高。内量子效率是指每秒注入有源区的电子-空穴对数能够产生的光子数多少。右图给出典型的 QCL 有源区工作示意图,电子流通过一系列的子带和微带,实现子带中的上能级电子的集聚,之后迅速跃迁到下能级并产生光子,之后注入区再重复利用电子流,使之进入下一个循环。理论上一个电子可以产生与有源区级数相同的光子数,从而内量子效率较高,输出的功率也就越大。而常规的半导体激光器中,一个电子在与空穴相遇后仅辐射出一个光子。
尺寸较小
量子级联激光器实物图量子级联激光器的尺寸较小,如右图所示,量子级联激光器管芯的长度一般为 3mm,随着激光器性能提高,可以将其封装在方盒内,从而方便地移动和操作。
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