上海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。 TDLAS：当激光波长与待测气体分子的吸收线匹配时，分子会吸收部分能量，透射光强度的变化，计算气体浓度。上海NOQCL激光器

    痕量气体检测对于很多领域都有着非常重要的作用,比如大气环境监测、工业过程监测、燃烧流场诊断、人体呼吸气体检测等等。而红外光谱为分子的振动跃迁光谱,因此在检测技术中,“红外激光光谱法”是目前受到较多关注的主流方法之一。不同于傅里叶变换红外光谱(FTIR)、非分散红外光谱(NDIR)这些“红外光谱”同门,红外激光光谱配置的不是宽带光源,而是高单色性的红外激光。有着更高的光谱分辨率、可以实现长光程检测、不需要额外分光部件,仪器能够进一步小型化等等优点。按波段来分的话,红外激光光谱法主要涉及近红外和中红外两个波段。相对于近红外,中红外波段是气体分子基带吸收光谱区,分子吸收线的强度比近红外要大几个量级。比如,CH4在3．3um处的吸收强度,是其在1．6um处的163倍,理论检测下限可达0．9ppb/m。因此,它能够实现痕量气体的超高灵敏探测。在一些浓度较低或对灵敏度要求较高的污染源排放的气体监测中,有很好的应用。 上海NOQCL激光器利用QCL作为光源则在很大程度上扩展了可探测波段，也在一定程度上提高了探测极限。

    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。

    相比较与其它激光器，量子级联激光器的优点如下：1)中远红外和太赫兹波段出射；在QCL发明之前，半导体激光器的发射波长主要在可见光和近红外波段，当我们需要使用中远红外和太赫兹波段的激光时，半导体激光器对此则有些无能为力，不同体系激光器激射波长范围如图3。QCL的发明，使得半导体激光器也能激射出中远红外和太赫兹波段的激光。如图3.不同激光器发光范围[15]2)宽波长范围；QCL激射波长取决于子带间能量差，可以通过设计量子阱层厚度来实现波长控制，所以量子级联激光器的激射波长范围极宽（约3-250μm），并且可以根据实际需求设计特定波长的激光输出。3)体积小；QCL相比其它激光器如：一氧化碳激光器（激射波长为4-5μm）和二氧化碳激光器（激射波长为μm），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。4)单极型结构；传统结构半导体激光器为双极型，其出光原理依靠的是p-n结中导带电子和价带空穴复合所产生的受激辐射，而QCL全程只有电子参与，空穴并未参与辐射发光过程，所以量子级联激光器为单极型激光器，且其出射的激光具有很好的单向偏振性。5)高的电子利用效率；因为QCL所独特的级联结构，电子在参与完子带间跃迁发光后，并没有湮灭。 在信息处理和通信领域，可调谐激光器可以用于构建高效的光通信系统和网络；

    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（DistributedFeedback）QCL，F-P（Fabry-Perot）QCL和外腔（ExternalCavity）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（midIRtoTHz）。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～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，比较大限度的保护了激光器的性能和寿命。 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。上海NOQCL激光器

在材料科学领域，可调谐激光器可以用于精确控制材料的加工和改性过程。上海NOQCL激光器

    随着经济的发展，人类对于大自然的干扰和对环境的破坏愈发严重，无论是酸雨等气候灾害、亦或是全球气候变暖、还是雾霾现象频发，都严重的影响着人们的生存环境。各国科学家对环境监控都十分重视。2008年，正值北京奥运会举办之际，美国普林斯顿科研小组利用量子级联激光器搭建了开路式气体检测系统，对北京进行了空气质量评估。“HIPPO”项目（由美国国家科学基金会（NSF）和美国国家海洋和大气局（NOAA）支持）和“CalNEX”项目（由美国加州空气资源局（CARB）和NOAA支持）正在开展温室气体的相关研究工作。[2]工业监控在石油化工、金属冶炼、矿山开采等行业生产过程中，通过检测产生的相应气体的浓度可以进行进程监控，也可以监控泄露危险气体的浓度，以保障生产安全，已有技术采用μmQCL对工业燃烧排气系统中产生的NO气体进行实时检测，并使用μm的脉冲QCL对物产生的气体进行光学检测。医学应用有的疾病会造成人类呼出气体成分的异常升高，通过对呼出气体的种类和浓度进行准确的分析，可以对临床诊断和提供有价值的参考，而且不必因为使用CT等仪器而引入过多的辐射。例如，患有糖尿病、肝脏和肾脏疾病的患者呼出的气体中NH3浓度会出现异常。 上海NOQCL激光器