量子级联激光器的原理及主要应用简述

作者：上海昊量光电设备有限公司 邓庆通

欢迎访问e展厅 展厅 1 激光器展厅 半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ... 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：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3.6～19μm 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，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10~20cm-1的调谐范围，或者通过快速注进电流加热调谐获得2~3cm-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置激光预警系统，每台装置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，“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，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，波长锁定量子级联激光器，波长覆盖范围从3.8微米到12微米，室温下功率高达4W，是目前商用市场上功率最高的中红外激光器。目前Pranalytica公司已携手上海昊量光电设备有限公司在国内市场上推广其产品。 由于中远红外量子级联激光器具有独特的优点，必将随着其技术的不断进步而在军用和民用方面得到越来越广泛的应用。(end)

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