量子级联激光器的原理及主要应用简述

1、量子级联激光器的原理及主要应用简述文:邓庆通,上海昊量光电设备有限公司技术工程师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。 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

2、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

3、: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 3.619m 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: QC 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

4、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 1020cm-1的调谐范围,或者通过快速 注进电流加热调谐获得 23cm-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

5、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。量子级联激光器的应用中远红外量子级联激光器作为一种高新技术有着非常重要的其他激光器无法替代的用途, 包 括:高精度气体传感领域 TDLAS生化战剂探测激光光谱学 - R&D远程探测 - LIDAR产品测试激光器和探测器空 -空,空 -地搜索与跟踪,射程发现军事太空光电对抗大气污染监测量子级联激光器在激光光谱学 - R&D,生化战剂探测,远程探测 - LIDAR ,产品测试激光 器和探测器 ,光电跟踪与搜索,光电对抗等方面的应用也随着量子级联激光器技术的日趋成熟 越来越受到欧美等发达国家

6、的高度重视, 并投入大量的人力物力进行中远红外量子级联激光器的 应用技术的开发。在民用方面以量子级联激光器在气体传感方面的高端应用火山探测为例对其应用做一个比 较详细的说明。早期探测火山动静还有一种更令人看好的方法, 那就是观察二氧化碳中碳同位素比例的变化。 大气中碳 12 对碳 13 的比例大致是 90 比 1,但在火山气体中这一比例可能显著不同。此比例 即使只改变 0.lppm(百万分之一 ,也可能意味着在火山下积聚或沿着火山上升的熔岩所释放出 的二氧化碳涌入了大气。激光器有助于探测这一变化,因为碳 12 和碳 13 所吸收的中红外光其 波长略有差异。 用于此目的的激光器必须具有在中红外波

7、段上连续调谐的性能。 先前研究人员使 用的是铅盐激光器,此种激光器需要液氮冷却,因而难以在现场使用。 此外, 铅盐激光器属低功 率型器件, 其功率不过百万分之几瓦, 而且所发出的频率往往不稳定。 其他碳同位素扫描方法也 与此相仿,都只限于在实验室内使用。美国和英国的其他一些科学家与意大利政府合作, 设计出一种以量子级联激光器为核心的火 山监测系统。 这样一种半导体激光器可以在很宽的频率上发出高功率的激光, 而且结构坚牢, 也 不需要液氮冷却,因此小得可以放进皮鞋盒子里。上述研究人员对尼加拉瓜若干火山口喷出的气体首次试用他们的激光器进行了测量。 新的现 场试验将选择一些条件恶劣的火山现场来检查该

8、系统的性能和精度。 美国科罗拉多州博尔德国家 大气研究中心的研究工程师 Dirk Richter 说,设计一套“在堪称地球上最恶劣、最考验人的环 境中运行”的系统可谓困难重重。 ”如果这种仪器果然奏效, 有关方面将打算在火山口周围设臵激光预警系统, 每台装臵将实时 发送测量数据。 虚警事件应当不会出现, 因为熔岩中的碳同位素比例与地壳中的碳同位素比例有 显著差异。 此外, 激光器探测到的变动是在数周乃至数月的期间内发生的, 这样就有时间比较其它仪器所获得的数据, 并从容地通知居民疏散。 英国牛津郡卢瑟福 -艾普尔顿实验室的物理学家、 Tittel 小组的成员 Damien Weidmann 说

9、, “我们这个系统的目标是避免一场维苏威火山爆发 式的浩劫。 ” 系统样机的现场测试定于 2005 年春在罗马东南有火山活动的阿尔班丘陵地区进行, 同时,在美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯附近的火山地区也进行同样的测试。在军用方面以量子级联激光器在爆炸物和生物战剂的检测为例做一个比较详细的说明。 伦敦恐怖爆炸案后, 如何有效探测爆炸物和化学战剂的问题再次凸现。 美国西北大学量 子器件中心主任拉泽格领导的小组首次使用能够在常温下高功率运行, 发射出波长 9.5 微米、 功率大于 100 毫瓦的量子级联激光器 (QCL进行爆炸物和化学战剂探测系统的开发, 堪称一 个重大技术突破。 这种小型激光器实用化后

10、, 可对爆炸物和化学战剂快速进行早期探测, 以 对可能的恐怖威胁实施预警。小组成员墨非教授说:“成功的关键在于激光源,探测技术需 要的中远红外二极管激光器要求在室温下工作,功率要超过 100 毫瓦,体积小便于人员携 带。” 由于不同化学物质吸收特定频率的光,因此它们都具有自己唯一的“指纹”。化学 战剂的 “指纹” 都在远红外范围内, 因此,各国科学家在进行应用系统的开发时都面临的共 同问题是如何得到一种能够在远红外波长范围内工作的便携式激光器。 此项研究是由美国国 防部国防先进技术研究计划署资助的, 目的是开发便携式中远红外激光器系统, 对恐怖威胁 进行预警。 一经投入使用, 可有效探测爆炸物

11、和化学战剂, 能够将它们与空气中存在的非敌 意化学物质进行区别。2009年, 美国 Pranalytica 公司赢得了美国 DARPA 一份小型企业创新研究 (SBIR 计划, 参与了美国陆军航空和导弹司令部(AMCOM 开发的高能量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL 阵列光束耦合 Phase I的计划。该计划是为了满足美国国防部在定 向红外干扰(directional infrared countermeasures, DIRCM 、先进防区外化学传感器 和激光雷达(Laser Radar, LADAR 领域的需求而创立的。据一名厂家代表透露,其潜在 的非军事应用包括:国内航线对肩射导弹的 DIRCM 防御、有毒工业废气探测和大气污染监 测。据 Pranalytica 公司总裁介绍:“我们的目标是保护飞机免遭肩射导弹袭击、探测战场 有害元素、 以及创造战区虚拟图像, 而高能量子级联激光器阵列的光束耦合向这些目标迈进 了一步。上述应用能够为士兵制造出一片绝对安全的战场空间。”Pranalytica 公司已经推出多系列包括脉冲,连续,多波长,波长可调,宽光谱,波长