北京甲烷QCL激光器

    傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，工作原理都是依靠半導(dǎo)體材料中導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶中的空穴復(fù)合而激發(fā)光子，其激射波長由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度所決定,由于受禁帶寬度的限制，使得半導(dǎo)體激光器難以發(fā)出中遠(yuǎn)紅外以及太赫茲波段的激光。自然界不多的對應(yīng)能出射中遠(yuǎn)紅外的半導(dǎo)體材料-鉛鹽系材料，其只能在低溫下工作(低于77K)，且輸出功率極低，為微瓦級別。為了使半導(dǎo)體激光器也能激射中遠(yuǎn)紅外以及太赫茲波段的光，科研人員跳出了基于半導(dǎo)體材料p-n結(jié)發(fā)光的理論，提出了量子級聯(lián)激光器的構(gòu)想。量子級聯(lián)激光器的工作原理為電子在半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶的子帶間躍遷和聲子共振輔助隧穿從而產(chǎn)生光放大，其出射波長由導(dǎo)帶的子帶間的能量差所決定，和半導(dǎo)體材料的禁帶寬度無關(guān)，因此可以通過設(shè)計(jì)量子阱層的厚度來實(shí)現(xiàn)波長的控制。如圖1.(A)傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器其發(fā)光原理(B)QCL發(fā)光原理。 QCL的光束質(zhì)量好，可以利用光的反射來設(shè)計(jì)光學(xué)長程池從而增加系統(tǒng)的吸收光程，提高系統(tǒng)的靈敏度。北京甲烷QCL激光器

    中遠(yuǎn)紅外波段包含了兩個(gè)重要的大氣窗口3-5μm和8-13μm波段，很多氣體的特征吸收峰都在這個(gè)波段，如NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等，還有一些人體疾病如糖尿病、、胸、肺、精神疾病等特征氣體的吸收譜線也處于此波段，如圖4。不同氣體的特征吸收峰基于QCL的檢測系統(tǒng)，具有體積小、檢測速度快、精確度高等特點(diǎn)，可以廣泛的應(yīng)用在環(huán)境檢測、痕量氣體檢測、醫(yī)療診斷等方面，基于QCL的氣體檢測系統(tǒng)是QCL重要的應(yīng)用之一，如氣體檢測系統(tǒng)如圖5。相比于傳統(tǒng)的氣體檢測技術(shù)（電化學(xué)檢測、氣相色譜分析、紅外LED），量子級聯(lián)激光器在氣體檢測的優(yōu)勢如下：1、量子級聯(lián)激光器具有很窄的光譜線寬，可以獲得氣體分子、原子光譜線中精細(xì)結(jié)構(gòu)，因此基于量子級聯(lián)激光器的氣體檢測系統(tǒng)分辨率要遠(yuǎn)高于其他光譜檢測方法，而且系統(tǒng)中不需要分光器件，可以通過調(diào)諧QCL的波長，就可在光電探測器中直接得到其吸收光譜。2、QCL的光束質(zhì)量好，其出射光的發(fā)散角小，可以利用光的反射來設(shè)計(jì)光學(xué)長程池從而增加系統(tǒng)的吸收光程，進(jìn)而就可以提高系統(tǒng)的靈敏度，這對于低濃度的氣體檢測十分有效。 新疆甲烷QCL激光器TDLAS能實(shí)現(xiàn)"原位、連續(xù)、實(shí)時(shí)測量"，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，易于設(shè)備的小型化。

    量子級聯(lián)激光器是基于多個(gè)量子阱異質(zhì)結(jié)中掩埋次能級躍遷的單極半導(dǎo)體注入激光器，它們是通過能帶工程并通過分子束外延生長方法得到的。QCL激光器的輸出波長依賴于量子阱和作用區(qū)掩埋層的厚度而不是激光材料的能級。由于QCL輸出波長不受帶隙寬度的限制，因而能夠被制成在中紅外波長區(qū)較寬范圍里輸出。QCL的輸出波長區(qū)可以從μm到60μm，激光輸出功率可以達(dá)到幾個(gè)mW。QCL在脈沖工作方式下可以工作在室溫下，并且已經(jīng)被用于痕量氣體的光譜檢測，但由于脈沖激光固有特點(diǎn)使其線寬相對較寬。雖然單模連續(xù)輸出DFB－QCL已早有報(bào)道，但到目前為止，還沒有痕量氣體檢測的報(bào)道。鑒于目前中紅外光譜區(qū)傳統(tǒng)激光技術(shù)存在的需要低溫制冷等限制，利用技術(shù)成熟的近紅外激光光源的參量頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)波中紅外相干光源輸出是一個(gè)有效的補(bǔ)充。在中紅外光譜相干光輸出的參量過程主要有光參量振蕩（OPO）和差頻變換（DFG）。

    相比較與其它激光器，量子級聯(lián)激光器的優(yōu)點(diǎn)如下：1)中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段出射；在QCL發(fā)明之前，半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長主要在可見光和近紅外波段，當(dāng)我們需要使用中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段的激光時(shí)，半導(dǎo)體激光器對此則有些無能為力，不同體系激光器激射波長范圍如圖3。QCL的發(fā)明，使得半導(dǎo)體激光器也能激射出中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段的激光。如圖3.不同激光器發(fā)光范圍[15]2)寬波長范圍；QCL激射波長取決于子帶間能量差，可以通過設(shè)計(jì)量子阱層厚度來實(shí)現(xiàn)波長控制，所以量子級聯(lián)激光器的激射波長范圍極寬（約3-250μm），并且可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)特定波長的激光輸出。3)體積小；QCL相比其它激光器如：一氧化碳激光器（激射波長為4-5μm）和二氧化碳激光器（激射波長為μm），具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，其攜帶方便，便于系統(tǒng)化和集成化。4)單極型結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器為雙極型，其出光原理依靠的是p-n結(jié)中導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合所產(chǎn)生的受激輻射，而QCL全程只有電子參與，空穴并未參與輻射發(fā)光過程，所以量子級聯(lián)激光器為單極型激光器，且其出射的激光具有很好的單向偏振性。5)高的電子利用效率；因?yàn)镼CL所獨(dú)特的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，電子在參與完子帶間躍遷發(fā)光后，并沒有湮滅。 在環(huán)境監(jiān)控,醫(yī)學(xué)應(yīng)用等痕量氣體檢測中,要求QCL單縱模,寬調(diào)諧,高功率,低閾值,高光束質(zhì)量的工作.

    QCL激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益介質(zhì)顯示為灰色，波長選擇機(jī)制為藍(lán)色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。1.**簡單的結(jié)構(gòu)是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P結(jié)構(gòu)中，切割面為激光提供反饋，有時(shí)也使用介質(zhì)膜以優(yōu)化輸出。2.第二種結(jié)構(gòu)是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結(jié)構(gòu)（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結(jié)構(gòu)低很多。通過**大范圍的溫度調(diào)諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長調(diào)諧（通過緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍，或者通過快速注進(jìn)電流加熱調(diào)諧獲得2~3cm-1的范圍）。3.第三種結(jié)構(gòu)是將QC芯片和外腔結(jié)合起來，形成ECqcL。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過10ms）。由于ECqcL結(jié)構(gòu)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(yùn)作。 中紅外QCL-TDLAS在氣體檢測中具有高靈敏度、高分辨率及快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。新疆氨QCL激光器公司

甲烷分子的基頻吸收帶位于在3.3μm附近的中紅外區(qū)域。因此用中紅外激光器探測甲烷氣體非常有益。北京甲烷QCL激光器

    2002年之后，帶間級聯(lián)激光器在美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）取得了更加快速的發(fā)展，在低閾值電流、高工作溫度以及長波長等方向上都取得了矚目的成果。其中**重要的是2005年，研究人員制作出的單縱模分布反饋式激光器（DFB）可以實(shí)現(xiàn)甲烷氣體的檢測。并于2007年交付美國國家航空航天局（NASA）的好奇號進(jìn)行火星的甲烷探測。2008年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）經(jīng)過多年優(yōu)化和發(fā)展，終于實(shí)現(xiàn)了里程碑式的***臺室溫連續(xù)激射的帶間級聯(lián)激光器，連續(xù)波**高工作溫度可達(dá)319K，激射波長為μm。2011年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室在材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步提出了“載流子再平衡”的概念，解決了有源區(qū)中電子和空穴的數(shù)量不均等問題，通過改變電子注入?yún)^(qū)中的摻雜濃度，平衡有源區(qū)中過高的空穴濃度。之后，德國伍茲堡大學(xué)在“載流子再平衡”的基礎(chǔ)上，提出了短注入?yún)^(qū)的設(shè)計(jì)。2014年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室通過增加有源級聯(lián)區(qū)的周期數(shù)及分別限制層的厚度，進(jìn)一步提高了帶間級聯(lián)激光器的器件指標(biāo)，其室溫連續(xù)輸出功率達(dá)592mW，輸出特性以及輸出波長如圖3和4所示。這也是目前帶間級聯(lián)激光器輸出功率的**高指標(biāo)，并在2015年成功制作級聯(lián)數(shù)為10的帶間級聯(lián)激光器。 北京甲烷QCL激光器