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光學工程
量子級聯激光器

量子級聯激光器的工作原理與通常的半導體激光器截然不同,它打破了傳統p-n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制,其發光波長由半導體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與,其激射方案是利用在半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態之間產生粒子數反轉,從而實現單電子注入的多光子輸出,并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發光波長。

量子級聯激光器比其它激光器的優勢在于它的級聯過程,電子從高能級跳躍到低能級過程中,不但沒有損失,還可以注入到下一個過程再次發光。這個級聯過程使這些電子 “循環”起來,從而造就了一種令人驚嘆的激光器。因此,量子級聯激光器的發明被視為半導體激光理論的一次革命和里程碑。

量子級聯激光器的特點

量子級聯激光理論的創立和量子級聯激光器的發明使中遠紅外波段高可靠、高功率和高特征溫度半導體激光器的實現成為可能。一般而言,量子級聯激光器系統包括量子級聯激光模塊,控制模塊以及接口模塊。量子級聯激光器從結構上來說,可以分為分布反饋(Distributed Feedback)QCL,F-P(Fabry-Perot)QCL 和外腔(External Cavity)QCL。量子級聯激光器由于其獨特的設計原理使其具有如下的獨特優勢:

1.可以提供超寬的光譜范圍(mid IR to THz)。

2.極好的波長可調諧性。

3.很高的輸出功率,同時也可以工作在室溫環境下。

目前國際上已研制出3.6~19μm 中遠紅外量子級聯激光器系統。隨著技術的進步,目前量子級聯激光器不但能以脈沖的方式工作,而且可以在連續工作的方式輸出大功率激光。激光模塊將QC 激光器裝進一個氣密性封裝內,最大限度的保護了激光器的性能和壽命。

量子級聯激光器的分類:


QC激光器的基本結構包括FP-QCL(上圖)、DFB-QCL(中圖)和ECqcL(下圖)。增益介質顯示為灰色,波長

選擇機制為藍色,鍍膜面為橙色,輸出光束為紅色。

1.最簡單的結構是F-P腔激光器(FP-QCL)。在F-P結構中,切割面為激光提供反饋,有時也使用介質膜以優化輸出。

2.第二種結構是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結構(DFB-QCL)可以輸出較窄的光譜,但是輸出功率卻比FP-QCL結構低很多。通過最大范圍的溫度調諧,DFB-QCL還可以提供有限的波長調諧(通過緩慢的溫度調諧獲得10~20cm-1的調諧范圍,或者通過快速注進電流加熱調諧獲得2~3cm-1的范圍)。

3.第三種結構是將QC芯片和外腔結合起來,形成ECqcL。這種結構既可以提供窄光譜輸出,又可以在QC芯片整個增益帶寬上(數百cm-1)提供快調諧(速度超過10ms)。由于ECqcL結構使用低損耗元件,因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運作。

量子級聯激光器的應用

中遠紅外量子級聯激光器作為一種高新技術有著非常重要的其他激光器無法替代的用途,包括:

高精度氣體傳感領域 – TDLAS

生化戰劑探測

激光光譜學- R&D

遠程探測- LIDAR

產品測試–激光器和探測器

空-空,空-地搜索與跟蹤,射程發現–軍事太空

光電對抗

大氣污染監測

量子級聯激光器在激光光譜學- R&D,生化戰劑探測,遠程探測- LIDAR ,產品測試–激光器和探測器 ,光電跟蹤與搜索,光電對抗等方面的應用也隨著量子級聯激光器技術的日趨成熟越來越受到歐美等發達國家的高度重視,并投入大量的人力物力進行中遠紅外量子級聯激光器的應用技術的開發。

在民用方面以量子級聯激光器在氣體傳感方面的高端應用火山探測為例對其應用做一個比較詳細的說明。

早期探測火山動靜還有一種更令人看好的方法,那就是觀察二氧化碳中碳同位素比例的變化。大氣中碳12 對碳13 的比例大致是90 比1,但在火山氣體中這一比例可能顯著不同。此比例即使只改變0.lppm(百萬分之一),也可能意味著在火山下積聚或沿著火山上升的熔巖所釋放出的二氧化碳涌入了大氣。激光器有助于探測這一變化,因為碳12 和碳13 所吸收的中紅外光其波長略有差異。用于此目的的激光器必須具有在中紅外波段上連續調諧的性能。先前研究人員使用的是鉛鹽激光器,此種激光器需要液氮冷卻,因而難以在現場使用。此外,鉛鹽激光器屬低功率型器件,其功率不過百萬分之幾瓦,而且所發出的頻率往往不穩定。其他碳同位素掃描方法也與此相仿,都只限于在實驗室內使用。

美國和英國的其他一些科學家與意大利政府合作,設計出一種以量子級聯激光器為核心的火山監測系統。這樣一種半導體激光器可以在很寬的頻率上發出高功率的激光,而且結構堅牢,也不需要液氮冷卻,因此小得可以放進皮鞋盒子里。

上述研究人員對尼加拉瓜若干火山口噴出的氣體首次試用他們的激光器進行了測量。新的現場試驗將選擇一些條件惡劣的火山現場來檢查該系統的性能和精度。美國科羅拉多州博爾德國家大氣研究中心的研究工程師Dirk Richter 說,設計一套“在堪稱地球上最惡劣、最考驗人的環境中運行”的系統可謂困難重重。”

如果這種儀器果然奏效,有關方面將打算在火山口周圍設置激光預警系統,每臺裝置將實時發送測量數據。虛警事件應當不會出現,因為熔巖中的碳同位素比例與地殼中的碳同位素比例有顯著差異。此外,激光器探測到的變動是在數周乃至數月的期間內發生的,這樣就有時間比較其它儀器所獲得的數據,并從容地通知居民疏散。英國牛津郡盧瑟福-艾普爾頓實驗室的物理學家、Tittel 小組的成員Damien Weidmann 說,“我們這個系統的目標是避免一場維蘇威火山爆發式的浩劫。”系統樣機的現場測試定于2005 年春在羅馬東南有火山活動的阿爾班丘陵地區進行,同時,在美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯附近的火山地區也進行同樣的測試。

在軍用方面以量子級聯激光器在爆炸物和生物戰劑的檢測為例做一個比較詳細的說明。

倫敦恐怖爆炸案后,如何有效探測爆炸物和化學戰劑的問題再次凸現。美國西北大學量子器件中心主任拉澤格領導的小組首次使用能夠在常溫下高功率運行,發射出波長9.5 微米、功率大于100 毫瓦的量子級聯激光器(QCL)進行爆炸物和化學戰劑探測系統的開發,堪稱一個重大技術突破。這種小型激光器實用化后,可對爆炸物和化學戰劑快速進行早期探測,以對可能的恐怖威脅實施預警。小組成員墨非教授說:“成功的關鍵在于激光源,探測技術需要的中遠紅外二極管激光器要求在室溫下工作,功率要超過100 毫瓦,體積小便于人員攜帶。” 由于不同化學物質吸收特定頻率的光,因此它們都具有自己唯一的“指紋”。化學戰劑的“指紋”都在遠紅外范圍內,因此,各國科學家在進行應用系統的開發時都面臨的共同問題是如何得到一種能夠在遠紅外波長范圍內工作的便攜式激光器。此項研究是由美國國防部國防先進技術研究計劃署資助的,目的是開發便攜式中遠紅外激光器系統,對恐怖威脅進行預警。一經投入使用,可有效探測爆炸物和化學戰劑,能夠將它們與空氣中存在的非敵意化學物質進行區別。

2009年,美國Pranalytica公司贏得了美國DARPA一份小型企業創新研究(SBIR)計劃,參與了美國陸軍航空和導彈司令部(AMCOM)開發的高能量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)陣列光束耦合Phase I的計劃。該計劃是為了滿足美國國防部在定向紅外干擾(directional infrared countermeasures,DIRCM)、先進防區外化學傳感器和激光雷達(Laser Radar,LADAR)領域的需求而創立的。據一名廠家代表透露,其潛在的非軍事應用包括:國內航線對肩射導彈的DIRCM防御、有毒工業廢氣探測和大氣污染監測。據Pranalytica公司總裁介紹:“我們的目標是保護飛機免遭肩射導彈襲擊、探測戰場有害元素、以及創造戰區虛擬圖像,而高能量子級聯激光器陣列的光束耦合向這些目標邁進了一步。上述應用能夠為士兵制造出一片絕對安全的戰場空間。”

Pranalytica公司已經推出多系列包括脈沖,連續,多波長,波長可調,寬光譜,波長鎖定量子級聯激光器,波長覆蓋范圍從3.8微米到12微米,室溫下功率高達4W,是目前商用市場上功率最高的中紅外激光器。目前Pranalytica公司已攜手上海昊量光電設備有限公司(021-51083793/[email protected])在國內市場上推廣其產品。

由于中遠紅外量子級聯激光器具有獨特的優點,必將隨著其技術的不斷進步而在軍用和民用方面得到越來越廣泛的應用。

 


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