标准QCL激光器定制

    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。 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.标准QCL激光器定制

    常见的温室气体光谱学检测技术主要包括非分散红外光谱技术（NDIR）、傅立叶变换光谱技术（FTIR）、差分光学吸收光谱技术（DOAS）、差分吸收激光雷达技术（DIAL）、可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）、离轴积分腔输出光谱技术（OA-ICOS）、光腔衰荡光谱技术（CRDS）、激光外差光谱技术（LHS）、空间外差光谱技术（SHS）等。其中，NDIR技术利用气体分子对宽带红外光的吸收光谱强度与浓度成正比的关系，进行温室气体反演，具有结构简单、操作方便、成本低廉等优点，但仪器的光谱分辨率和检测灵敏度较低。FTIR技术通过测量红外光的干涉图，并对干涉图进行傅立叶积分变换，从而获得被测气体红外吸收光谱，能够实现多种组分同时监测，适用于温室气体的本底、廓线和时空变化测量及其同位素探测，仪器系统较为复杂，价格比较昂贵。DOAS也是一种宽带光谱检测技术，能够实现多气体组分探测，仪器光谱分辨率较低，易受水汽和气溶胶的影响。DIAL技术是一种利用气体分子后向散射效应对气体遥感探测的光谱技术，具有高精度、远距离、高空间分辨等优点，系统较为复杂，成本较高。TDLAS技术利用窄线宽的可调谐激光光源，完整地扫描到气体分子的一条或几条吸收谱线。标准QCL激光器定制基于 TDLAS 技术的无创检测方法，且效果明显。

    量子级联激光器（QuantumCascadeLaser）是一种能够发射光谱在中红外和远红外频段激光的半导体激光器。它是由贝尔实验室于1994年率先实现。随着量子级联激光器技术的日趋成熟，它开始被较多地应用于科学和工程研究。由于其明显优势，在气体检测领域得到了迅速推广。基于量子级联激光器的红外光谱气体检测技术具有灵敏度高、检测速度快等优点，特别是在高精度光谱检测方面所具有的明显优势，使其成为研究和应用的热点。量子级联激光器（QuantumcascadeLaser，QCL）是基于半导体耦合量子阱子带（一般为导带）间的电子跃迁所产生的一种单极性光源。量子（quantum）指的是通过调整有源区量子阱的厚度可以改变子带的能级间距，实现对波长的“裁剪”，另外也指器件的尺寸较小。级联（cascade）的意思是有源区中上一组成部分的输出是下一部分的输入，一级接一级串联在一起。激光器（Laser）是指产生特定波长的光源。量子级联激光器的波长可以覆盖在、通信、气体检测等领域极具应用价值的中远红外波段。

    复杂生态环境温室气体不同空间、时间尺度的浓度监测是了解温室气体源与汇的基础。目前适应生态环境温室气体长期连续监测的技术手段仍有待研究。可调谐半导体激光吸收光谱(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)是一种非侵入式光谱测量技术,具有高选择、高灵敏度、高分辨等特点,与目前新兴的中红外量子级联激光器(QuantumCascadeLaser,QCL)相结合,可实现分子"基频"吸收光谱测量,进一步提高检测灵敏度,达到温室气体区域环境监测需求。激光气体分析利用激光光谱技术，通过气体对特定波长激光的吸收特性来检测气体浓度。适用于检测具有特定吸收特性的气体，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧化亚氮和氨气。凭借其高精度、快速响应和非接触式检测的特点，激光气体分析仪在工业过程控制、环境监测、安全与泄漏检测、医疗与生命科学以及科研实验室等多个领域中得到了广泛应用。 QCL有着非常重要的用途，高精度痕量气体传感、自由空间光通信、定向红外干扰等。

    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。 基于光谱学原理的气体检测技术，有非接触、快响应、高灵敏、大范围监测等优点，是监测技术的主流研究方向。标准QCL激光器定制

QCL相比其它激光器具有体积小、重量轻的特点，其携带方便，便于系统化和集成化。标准QCL激光器定制

    工农业生产、化石燃料燃烧、机动车尾气排放等人类活动产生的过量温室气体加剧了全球气候变暖，研究和发展适用于不同空间、时间尺度的温室气体精确、快速、动态检测技术是环境气候研究的基础和前提。基于光谱学原理的气体检测技术，具有非接触、快响应、高灵敏、大范围监测等优点，是目前温室气体监测技术的主流研究方向。针对当前温室气体点源、面源、区域、全球等尺度下的监测需求，综合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，获取温室气体空间分布、季节变化和年变化的特征和趋势，这对理解区域碳排放、掌握源汇信息、研究环境气候变化规律等具有重要意义。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6），其中后三种气体造成温室效应的能力强，但从对全球升温的贡献百分比来说，CO2、CH4和N2O三大主要温室气体所占的比例大，它们对全球变暖的总体贡献占到77%，浓度也呈现出逐年升高的趋势。 标准QCL激光器定制

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