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光學工程
量子級聯激光器

量子級聯激光器(quantum cascade lasers, QCLs)是基于電子在半導體量子阱中導帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導體器件。不同於傳統p-n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制,QCL受激輻射過程只有電子參與,激射波長的選擇可通過有源區的勢阱和勢壘的能帶裁剪實現。QCL引領了半導體激光理論、中紅外和THz半導體光源革命,是痕量氣體監測和自由空間通信的理想光源,在公共安全、國家安全、環境和醫學科學等領域有重大應用前景。 量子級聯激光器(QCL)是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段單極光源,其工作原理與通常的半導體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態,在這些激發態之間產生粒子數反轉,該激光器的有源區是由耦合量子阱的多級串接組成(通常大于500層)而實現單電子注入的多光子輸出。量子級聯激光器的出現開創了利用寬帶隙材料研制中、遠紅外半導體激光器的先河,在中、遠紅外半導體激光器的發展史上樹立了新的里程碑。1994年Federico Capasso和同事卓以和等人在貝爾實驗室率先發明量子級聯激光器。這被視為半導體激光領域的一次革命。2000年,我國科學家李愛珍(現任美國科學院院士)的課題組在亞洲率先研制出5至8微米波段半導體量子級聯激光器,從而使中國進入了掌握此類激光器研制技術的國家行列。

工作原理

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。


特點

由于量子級聯激光器是集量子工程和先進的分子束外延技術于一體,與常規的半導體激光器在工作原理上不同,其特點優于普通激光器,因技術含量很高,相關產品的開發具有重要的社會和經濟價值。 據了解,量子級聯激光器是一個高難度的量子工程,特點是工作波長與所用材料的帶隙無直接關系,僅由耦合量子阱子帶間距決定,從而可實現對波長的大范圍剪裁。

許多基于量子級聯激光器的可調諧中紅外激光器(脈沖和紅外)在國外已經進入工業化,是各國爭相研究的高新技術產業。

量子級聯激光器集量子工程和分子束外延技術于一體,是國家納米及量子器件核心技術的真正體現,這方面的技術突破將激活我國的民用市場。它在紅外通信、遠距離探測、大氣污染監控、工業煙塵分析、化學過程監測、分子光譜研究、無損傷醫學診斷等方面具有很急迫的應用前景。

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。


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