QCL發(fā)展史--QCL的原理與分類

激光器的發(fā)展里程碑如下：1960年發(fā)明的固態(tài)激光器和氣體激光器，1962年發(fā)明的雙極型半導(dǎo)體激光器和1994年發(fā)明的單極型量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）是激光領(lǐng)域的三個(gè)重大革命性里程碑。

量子級(jí)聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同，它打破了傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，其發(fā)光波長(zhǎng)由半導(dǎo)體能隙來(lái)決定，填補(bǔ)了半導(dǎo)體中紅外激光器的空白。QCL受激輻射過(guò)程只有電子參與，其激射方案是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過(guò)改變量子阱層的厚度來(lái)改變發(fā)光波長(zhǎng)。

量子級(jí)聯(lián)激光器比其它激光器的優(yōu)勢(shì)在于它的級(jí)聯(lián)過(guò)程，電子從高能級(jí)跳躍到低能級(jí)過(guò)程中，不但沒(méi)有損失，還可以注入到下一個(gè)過(guò)程再次發(fā)光。這個(gè)級(jí)聯(lián)過(guò)程使這些電子“循環(huán)”起來(lái)，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。因此，量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明被視為半導(dǎo)體激光理論的一次革命和里程碑。

量子級(jí)聯(lián)激光器的特點(diǎn)

量子級(jí)聯(lián)激光理論的創(chuàng)立和量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明使中遠(yuǎn)紅外波段高可靠、高功率和高特征溫度半導(dǎo)體激光器的實(shí)現(xiàn)成為可能。一般而言，量子級(jí)聯(lián)激光器系統(tǒng)包括量子級(jí)聯(lián)激光模塊，控制模塊以及接口模塊。量子級(jí)聯(lián)激光器從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，可以分為分布反饋（Distributed Feedback）QCL，F(xiàn)-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity）QCL。量子級(jí)聯(lián)激光器由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)原理使其具有如下的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

1：可以提供超寬的光譜范圍（mid IR to THz）。

2：極好的波長(zhǎng)可調(diào)諧性。

3：很高的輸出功率，同時(shí)也可以工作在室溫環(huán)境下。

目前國(guó)際上已研制出3.6～19μm 中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前量子級(jí)聯(lián)激光器不但能以脈沖的方式工作，而且可以在連續(xù)工作的方式輸出大功率激光。激光模塊將QC 激光器裝進(jìn)一個(gè)氣密性封裝內(nèi)，最大限度的保護(hù)了激光器的性能和壽命。

量子級(jí)聯(lián)激光器的分類：

QC激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益介質(zhì)顯示為灰色，波長(zhǎng)

選擇機(jī)制為藍(lán)色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。

1.最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P結(jié)構(gòu)中，切割面為激光提供反饋，有時(shí)也使用介質(zhì)膜以優(yōu)化輸出。

2.第二種結(jié)構(gòu)是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結(jié)構(gòu)（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結(jié)構(gòu)低很多。通過(guò)最大范圍的溫度調(diào)諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長(zhǎng)調(diào)諧（通過(guò)緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍，或者通過(guò)快速注進(jìn)電流加熱調(diào)諧獲得2~3cm-1的范圍）。

3.第三種結(jié)構(gòu)是將QC芯片和外腔結(jié)合起來(lái)，形成ECqcL。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過(guò)10ms）。由于ECqcL結(jié)構(gòu)使用低損耗元件，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運(yùn)作。

濱松QCL的特點(diǎn)：

濱松QCL激光器波長(zhǎng)在4um-10um之間。

濱松QCL激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?jiǎn)渭?jí)型、DFB激光器。

單極型：只通過(guò)一種載流子進(jìn)行能級(jí)躍遷從而發(fā)射出固定波長(zhǎng)的光，通過(guò)調(diào)整各阱的寬度和間隔進(jìn)行n3到n2能級(jí)調(diào)整，從而調(diào)整對(duì)應(yīng)激光出射波長(zhǎng)，n2到n1出射一個(gè)光學(xué)聲子，n1與下一個(gè)周期的n3對(duì)齊，所出射的光學(xué)聲子輔助隧穿過(guò)微帶，微帶形成的布拉格反射層有阻斷光在其傳播的特點(diǎn)。

DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反饋激光器，其不同之處是內(nèi)置了布拉格光柵（Bragg Grating），屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。布拉格光柵（Bragg Grating）是用來(lái)濾除雜光、壓窄激光線寬的器件。激光線寬是激光器輸出縱模的寬度，計(jì)算公式為:

df=（c/λ2）×dλ

DFB激光器的線寬普遍在1MHz以內(nèi)。

濱松QCL的特點(diǎn)：精確的功率，窄線寬，無(wú)模跳（頻率單一，單縱模），室溫工作。

1.出射激光功率穩(wěn)定精確。

2.窄線寬可以達(dá)到<0.01nm的分辨率，遠(yuǎn)大于普通濾波片的帶寬20nm?？梢郧逦姆直娉霰粶y(cè)氣體的吸收峰和被測(cè)量。

QCL的分類（8個(gè)可調(diào)諧波段QCL標(biāo)準(zhǔn)品）：

DFB-CW QCL：TEC、AirCooling、WaterCooling、ZnSe球面鏡聚焦。出射光平均功率在20mW

DFB-Pulse QCL：同樣的配置。出射光峰值功率在50mW。

可調(diào)諧波長(zhǎng)為10nm-20nm，調(diào)諧方式有兩種：1.改變驅(qū)動(dòng)電流：電流增大，波長(zhǎng)增加 2.改變溫度：改變光柵溫度從而改變折射率，溫度升高，波長(zhǎng)增大。

濱松QCL優(yōu)勢(shì)：發(fā)光效率高，在常溫下25℃就可以發(fā)光。對(duì)手產(chǎn)品需要制冷至-20℃才可以發(fā)光。

濱松QCL結(jié)構(gòu)：金屬層（散熱）、光柵收光層（改變折射率）、發(fā)光有源層。有源區(qū)由34層70nm厚度結(jié)構(gòu)的InGaAs/InAlAs組成，共厚約3μm。

濱松QCL應(yīng)用：可分為環(huán)境方面和工業(yè)方面

環(huán)境方面：空氣污染物，全球變暖，土壤化肥等。針對(duì)全球變暖溫室氣體，如CO2可以達(dá)到390ppm級(jí)別、CH4可以達(dá)到1800ppb級(jí)別、N2O可以達(dá)到320ppb級(jí)別。其中從成本考慮主要為SO2探測(cè)。

工業(yè)方面：火電廠檢測(cè)、天然氣精煉、汽車引擎評(píng)測(cè)等。QCL的優(yōu)勢(shì)在于可以分辨出不同元素的同位素吸收譜，這樣可以更好的分析出源頭在什么地方。