山东NOQCL激光器

    带间级联激光器（ICL）是实现3～5μm波段中红外激光器的重要前沿，其在半导体光电器件技术、气体检测、医学医疗以及自由空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。近年来，半导体带间级联激光器的量子阱能带理论设计方法和激光器制备**技术得到迅速提升。带间级联激光器是一种以Å族体系为主，通过量子工程的能带设计及其材料外延、工艺制作而成的可以工作于中红外波段的激光器。由于结合了传统的量子阱激光器较长的上能级载流子复合寿命，以及量子级联激光器（QCL）通过级联结构实现较高内量子效率的优点，在中红外波段具有较大的优势。研究背景中红外波段包含了许多气体分子的吸收峰，对于气体分子而言，在中红外波段的中心吸收截面一般比其在近红外区的中心吸收截面高几个数量级。因此，为了获得更高的灵敏度和更低的检测限，利用中红外的可调谐半导体激光器吸收光谱技术（TDLAS）可以实现对特殊或有毒气体的检测。常见的位于中红外波段的气体分子如图1所示，诸如矿井气体甲烷（CH4）分子吸收峰位于3260nm，一氧化碳（CO）分子吸收峰位于4610nm，二氧化碳（CO2）分子吸收峰位于4230nm，氯化氢（HCl）分子吸收峰位于3395nm，溴化氢（HBr）分子吸收峰位于4020nm。 QCL激光器的基本结构包括FP-QCL、DFB-QCL和ECqcL。山东NOQCL激光器

    1994年4月，贝尔实验室在《科学》上报道了***个子带间量子级联激光器。带间级联和量子级联激光器的研究都源于早期对于半导体超晶格的研究以及通过子带间跃迁实现激光器的探索。在带间级联激光器提出的2～3年内，空穴注入区就已经提出并加入到了带间级联激光器的结构中。同时，W型二类量子阱的概念也被提出，并取代了原先的单边型的二类量子阱。空穴注入区和W型有源区的设计直到***也一直被采用。1997年，由休斯顿大学和桑迪亚国家实验室合作完成的***台可达170K低温工作的带间级联激光器被报道出来，此后，对于二类量子阱的研究也取得了一定进展，而带间级联激光器也在1998～2000年工作温度逐渐提升至250～286K，微分量子效率超过了传统极限的100%，从而证实了级联过程。里程碑式的突破是在2002年，研究人员Yang等实现了***台室温脉冲激射的带间级联激光器，由18个周期构成。 重庆一氧化氮QCL激光器封装0.76~25μm 为近红外，25~30μm 为中红外，30~1000 μm为远红外。

    阈值电流密度较低带间跃迁和子带间跃迁示意图常规半导体激光器是双极性器件，导带中的电子与价带中的空穴复合生成光子，而量子级联激光器是单极性器件，只靠导带中子带间电子的跃迁产生光子，如图4所示，电子跃迁的始态与终态的曲线的曲率相同，这样形成的增益谱很窄而且对称，是量子级联激光器能够低阈值工作的一个原因。当然，QCL的阈值电流密度也与有源区设计，材料生长以及器件结构有关。尺寸较小图5量子级联激光器实物图量子级联激光器的尺寸较小，如图5所示，量子级联激光器管芯的长度一般为3mm，随着激光器性能提高，可以将其封装在方盒内，从而方便地移动和操作。量子级联激光器的工作温度、输出性能和波长覆盖范围在过去的20年取得了迅猛发展。其中，有两个里程碑，一个是1997年室温工作的分布反馈量子级联激光器（DFB-QCL）的研制成功，实现了波长为μm和8μm的DFB-QCL的室温工作，其中μm的激光器300K时峰值功率为60mW；另一个是2002年实现了波长为μm量子级联激光器的室温连续工作，器件在292K时输出功率为17mW，比较高连续工作温度为321K。

    传统的半导体激光器，工作原理都是依靠半导体材料中导带的电子和价带中的空穴复合而激发光子，其激射波长由半导体材料的禁带宽度所决定,由于受禁带宽度的限制，使得半导体激光器难以发出中远红外以及太赫兹波段的激光。自然界不多的对应能出射中远红外的半导体材料-铅盐系材料，其只能在低温下工作(低于77K)，且输出功率极低，为微瓦级别。为了使半导体激光器也能激射中远红外以及太赫兹波段的光，科研人员跳出了基于半导体材料p-n结发光的理论，提出了量子级联激光器的构想。量子级联激光器的工作原理为电子在半导体材料导带的子带间跃迁和声子共振辅助隧穿从而产生光放大，其出射波长由导带的子带间的能量差所决定，和半导体材料的禁带宽度无关，因此可以通过设计量子阱层的厚度来实现波长的控制。如图1.(A)传统半导体激光器其发光原理(B)QCL发光原理。 利用多种形式的光谱学测量手段，开展地面探测、地基探测、机载探测和星载探测四种典型光学观测.

    TDLAS技术具有高灵敏度、高光谱分辨率、快速响应等优点，广泛应用于气体的痕量探测。利用气体吸收谱线随温度、气压等因素变化的特性，该技术可实现对气体体系温度、浓度、速度和流量等参数的测量。无干扰、低价、可小型化等是TDLAS技术的主要优点。我们致力于发展高速（微秒级）、高灵敏（ppb级）、可携带式的基于可调谐半导体激光器的气体测量技术方法，拓展在航空航天、石油化工和燃烧等领域的应用。调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）是激光气体分析仪**常用的技术之一。其工作原理如下：激光光源：使用调谐半导体激光器作为光源，能够在特定的窄波段范围内快速调谐激光波长，精确匹配待测气体的吸收峰。气体吸收过程：激光器发射的窄带单色激光穿过待测气体样品。由于特定气体分子在特定波长处具有吸收峰，部分激光能量被吸收，导致光强度减弱。探测器测量：激光通过气体后，剩余的激光光强被探测器接收。探测器将光信号转换为电信号，测量激光强度的衰减。信号处理与浓度计算：分析仪通过计算吸收光谱的强度和形状，使用朗伯-比尔定律（Beer-LambertLaw）来推导出气体的浓度。TDLAS技术的高分辨率和高灵敏度使其能够准确检测低浓度的气体。 在大气污染监控中，QCL能够准确检测大气中的微量成分，为环境保护提供有力支持。黑龙江NOQCL激光器公司

中红外光谱是分子的基频吸收区，对痕量气体具有极高的敏感度，这使得它成为温室气体监测的理想选择。山东NOQCL激光器

    2002年之后，带间级联激光器在美国喷气推进实验室（JPL）取得了更加快速的发展，在低阈值电流、高工作温度以及长波长等方向上都取得了瞩目的成果。其中**重要的是2005年，研究人员制作出的单纵模分布反馈式激光器（DFB）可以实现甲烷气体的检测。并于2007年交付美国国家航空航天局（NASA）的好奇号进行火星的甲烷探测。2008年，美国海军实验室（NRL）经过多年优化和发展，终于实现了里程碑式的***台室温连续激射的带间级联激光器，连续波**高工作温度可达319K，激射波长为μm。2011年，美国海军实验室在材料设计的基础上，又进一步提出了“载流子再平衡”的概念，解决了有源区中电子和空穴的数量不均等问题，通过改变电子注入区中的掺杂浓度，平衡有源区中过高的空穴浓度。之后，德国伍兹堡大学在“载流子再平衡”的基础上，提出了短注入区的设计。2014年，美国海军实验室通过增加有源级联区的周期数及分别限制层的厚度，进一步提高了带间级联激光器的器件指标，其室温连续输出功率达592mW，输出特性以及输出波长如图3和4所示。这也是目前带间级联激光器输出功率的**高指标，并在2015年成功制作级联数为10的带间级联激光器。 山东NOQCL激光器

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