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脈動科技11月?-量子級聯激光器(QCL)原理、發展歷史及應用
Monday, Nov. 25, 2019

量子級聯激光器(QCL)原理、發展歷史及應用

前言:量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser,簡稱QCL)是一種新型半導體激光器。QCL擁有傳統半導體激光器的體積小、壽命長等特點,但是其工作原理卻和傳統半導體激光器截然不同。傳統半導體激光器發光機制是導帶和價帶中的電子空穴對復合發光,而QCL則是利用電子在導帶子帶間的躍遷發光,全程只有電子參與受激輻射。QCL是半導體激光理論革新的產物,其極大的擴展了半導體激光器激射范圍。在QCL發明之前,傳統半導體激光器其發射波長主要在可見光和近紅外波段,QCL則將半導體激光器的發光范圍拓展到了中遠紅外以及太赫茲波段,使其在氣體檢測、空間通訊、紅外對抗、太赫茲成像等方面得到了越來越多的應用。量子級聯激光器(QCL)在氣體檢測、空間通訊、紅外對抗、太赫茲成像等方面得到了越來越多的應用,本文將詳細介紹QCL原理及其各種應用。

   

一、QCL原理

傳統的半導體激光器,工作原理都是依靠半導體材料中導帶的電子和價帶中的空穴復合而激發光子,如圖1 (A),其激射波長由半導體材料的禁帶寬度所決定,由于受禁帶寬度的限制,使得半導體激光器難以發出中遠紅外以及太赫茲波段的激光。自然界唯一對應能出射中遠紅外的半導體材料-鉛鹽系材料,其只能在低溫下工作 (低于77K),且輸出功率極低,為微瓦級別。為了使半導體激光器也能激射中遠紅外以及太赫茲波段的光,科研人員跳出了基于半導體材料p-n結發光的理論,提出了量子級聯激光器的構想。

量子級聯激光器的工作原理為電子在半導體材料導帶的子帶間躍遷和聲子共振輔助隧穿從而產生光放大,如圖1 (B),其出射波長由導帶的子帶間的能量差所決定,和半導體材料的禁帶寬度無關,因此可以通過設計量子阱層的厚度來實現波長的控制。


圖1. (A) 傳統半導體激光器其發光原理    (B) QCL發光原理。

  二、QCL發展

1971年前蘇聯科學家Kazarinov 和 Suris提出了量子級聯激光器的理論基礎。[1]

1994年第一臺QCL由J. Faist,Federico Capasso和華人科學家卓以和等利用分子束外延技術研制出來,其激射波長為4.2μm。[2]

1996年第一個室溫脈沖工作的QCL被制備出來,其具有25個級聯結構,輸出波長為5.2μm。[3]

1997年,分布反饋式量子級聯激光器(DFB-QCL)研制成功[4],1998年報道了DFB-QCL在氣體傳感方面的重要應用。[5]

2000年,第一個遠紅外QCL被報導出來,其波長為21.5μm和24μm。[6]

2002年,第一個室溫連續工作的中紅外QCL研制出來。[7]

2002年,英國和意大利科學家合作研制了第一個太赫茲QCL。[8]

2003年,哈佛大學等成功研制了面發射光子晶體QCL,其激射波長為8μm。[9]

2006年,J.Faist小組首次研制了外腔調諧QCL,其波長調諧范圍為8.2-10.4μm。[10]

2010年,Colombelli實驗組對光子晶體量子級聯激光器進行了一些突破性研究,制備了單模面發射光子晶體QCL。[11]

2013年,Blanchard R.小組制備出了錐形量子級聯激光器,該研究對改善量子級聯激光器的光束質量起到了很好的作用。[12]

2019年,Saverio Bartalini小組展示了一款全相位穩定QCL頻率梳。[13]


圖2. QCL重要研究進展[14]

QCL自1994年首次展出到現在,經過了20多年的發展,QCL獲得了國內外科研院所和科技人員的廣泛關注和大量研究,QCL 重要研究進展如圖2所示主要,研究機構國外的有貝爾實驗室、哈佛大學、美國西北大學、瑞士蘇黎世理工學院等,國內主要有上海微系統與信息技術研究所、北京半導體所等。

三、QCL特點

相比較與其它激光器,量子級聯激光器的優點如下:

1) 中遠紅外和太赫茲波段出射;在QCL發明之前,半導體激光器的發射波長主要在可見光和近紅外波段,當我們需要使用中遠紅外和太赫茲波段的激光時,半導體激光器對此則有些無能為力,不同體系激光器激射波長范圍如圖3。QCL的發明,使得半導體激光器也能激射出中遠紅外和太赫茲波段的激光。

圖3. 不同激光器發光范圍[15]

2) 寬波長范圍;QCL激射波長取決于子帶間能量差,可以通過設計量子阱層厚度來實現波長控制,所以量子級聯激光器的激射波長范圍極寬(約3-250μm),并且可以根據實際需求設計特定波長的激光輸出。

3) 體積;QCL相比其它激光器如:一氧化碳激光器(激射波長為4-5μm)和二氧化碳激光器(激射波長為10.6μm),具有體積小、重量輕的特點,其攜帶方便,便于系統化和集成化。

4) 單極型結構;傳統結構半導體激光器為雙極型,其出光原理依靠的是p-n結中導帶電子和價帶空穴復合所產生的受激輻射,而QCL全程只有電子參與,空穴并未參與輻射發光過程,所以量子級聯激光器為單極型激光器,且其出射的激光具有很好的單向偏振性。

5) 高的電子利用效率;因為QCL所獨特的級聯結構,電子在參與完子帶間躍遷發光后,并沒有湮滅,而是注入到下一個級聯結構中的繼續躍遷發光,所以量子級聯激光器電子利用效率大幅度提高,理論上更容易獲得大功率激射。

由于QCL具有這些獨特的優點,以及其在中遠紅外和太赫茲波段重要的應用價值,針對于量子級聯激光器的應用也在快速展開,如環境檢測、痕量氣體檢測等,此外在軍事方面也有重要應用,如激光制導、毒氣檢測、激光雷達、自由空間通訊等。


四、QCL應用

在QCL發明之前,半導體激光器的發射波長主要在可見光和近紅外波段,QCL則將半導體激光器的發光范圍拓展到了中遠紅外以及太赫茲波段。QCL在氣體檢測、空間通訊、紅外對抗、太赫茲成像等方面有著很多重要的應用。

4.1 氣體檢測

中遠紅外波段包含了兩個重要的大氣窗口3-5μm和8-13μm波段,很多氣體的特征吸收峰都在這個波段,如 NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等,還有一些人體疾病如糖尿病、哮喘、胸、肺、精神疾病等特征氣體的吸收譜線也處于此波段,如圖4。

圖4. 不同氣體的特征吸收峰

基于QCL的檢測系統,具有體積小、檢測速度快、精確度高等特點,可以廣泛的應用在環境檢測、痕量氣體檢測、醫療診斷等方面,基于QCL的氣體檢測系統是QCL最重要的應用之一,如氣體檢測系統如圖5。

相比于傳統的氣體檢測技術(電化學檢測、氣相色譜分析、紅外LED),量子級聯激光器在氣體檢測的優勢如下:

1、量子級聯激光器具有很窄的光譜線寬,可以獲得氣體分子、原子光譜線中精細結構,因此基于量子級聯激光器的氣體檢測系統分辨率要遠高于其他光譜檢測方法,而且系統中不需要分光器件,可以通過調諧QCL的波長,就可在光電探測器中直接得到其吸收光譜。

2、QCL的光束質量好,其出射光的發散角小,可以利用光的反射來設計光學長程池從而增加系統的吸收光程,進而就可以提高系統的靈敏度,這對于低濃度的氣體檢測十分有效。


圖5. 基于QCL的氣體檢測系統[16]

4.2 紅外對抗

目前紅外制導導彈大部分都工作在3-5µm這個波段,因為這個波段是飛機尾噴的熱輻射最強,而且還處于大氣透射窗口,所以導引頭的大部分都設計在這個波段。為了對抗這些紅外制導的導彈,發射波長在3-5µm中紅外激光器是理想的光源。QCL可以發射3-5µm的激光,且具有超小的體積,為紅外對抗的理想光源,是現在軍事大國研究的熱點,基于QCL紅外對抗系統如圖6。近幾年3-5µm波段的QCL已經得到突飛猛進的發展,該波段的量子級聯激光器主要采用InP系材料,其在室溫下連續輸出功率已經達到了3W以上。

圖6. 基于QCL紅外對抗系統示意圖

脈動科技代理了美國Block Engineering 公司兩種QCL產品,一種為Mini-QCL模塊, 如圖7 (A),輸出波長為5.4~12.8 μm,方便客戶集成到各類系統中;另一種為已經集成化的QCL-System,如圖7 (B),擁有液晶顯示器,非常便于操作,用戶體驗友好,方便操作和調諧。關于兩種產品的詳細性能參數,如圖8。

圖7. 脈動科技代理的美國Block Engineering 公司QCL產品。
(A)Mini-QCL模塊,QCL模塊大小如硬幣一般;控制系統能夠控制4個激光模塊,調諧范圍為5.4~12.8 μm。
(B).QCL-System,QCL系統擁有用戶友好的交互界面,方便操作和調諧;可集成4個QCL模塊,調諧范圍為5.4~12.8 μm。

圖8. Mini-QCL模塊和QCL-System性能。
(A) Mini-QCL模塊,擁有業內領先的調諧范圍,單模塊QCL的可調諧范圍為7.5到10.5,多模塊QCL則可以達到5.4到12.8μm。
(B) QCL-System,集成4個QCL模塊,波長調諧范圍為5.4-12.8  擁有業界領先的無間隙調諧范圍。

[1] R.F. Kazarinov, R.A. Suris. Theory of electrical and electromagnetic properties of semiconductors with superlattices[J]. Fiz. Tekh. Poluprov. 1971,5: 797-800.

[2] J.Faist, F. Capasso, D.L.Sivco, C.Sirtori, A.L.Hutchinson, A.Y.Cho. Quantum Cascade Laser[J]. Science. 1994,264: 553-6.

[3] J.Faist, F.Capasso, C.Sirtoriet al. High power mid-infrared(λ~5mm) quantum cascade lasers operating above room temperature[J] .Appl. Phys. Lett . 1996,68(26):3680-3682.

[4] J.Faist, C.Gmachl, F.Capasso, et al. Distributed feedback quantum cascade lasers[J]. Applied Physics Letters. 1997,70(20): 2670-2672.

[5] K. Namjou, S.Cai, E. Whittake. Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum cascade laser[J]. Opt. Lett. 1998,23(3):219-221.

[6] R. Colombelli, F. Capasso, C. Gmachl, et al. Far-infrared surface-plasmon quantum-cascade lasers at 21.5μm and 24μm wavelengths[J]. Applied Physics Letters. 2001,78(18):2620-2622.

[7] M. Beck,D. Hofstetter, T. Aellen, et al. Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature[J]. Science. 2002, 295(5553):301-5.

[8] R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, et al. Terahertz semiconductor-heterostructure laser[J]. Nature. 2002,417(6885): 156-159.

[9] R. Colombelli,K. Srinivasan, M. Troccoli, et al. Quantum cascade surface-emitting photonic crystal laser[J]. Science. 2003,302(5649):1374-7.

[10] R. Maulini,A. Mohan,M. Giovannini, et al. External cavity quantum-cascade laser tunable from 8.2 to 10.4μm using a gain element with a heterogeneous cascade[J]. Applied Physics Letters. 2006,88(20):201113-201113-3.

[11] G. Xu, R. Colombelli, R. Braive, et al. Surface-emitting mid-infrared quantum cascade lasers with high-contrast photonic crystal resonators[J]. Optics Express, 2010,18(11):11979-89.

[12] R. Blanchard, T. S. Mansuripur, B. Gokden, et al. High-power low-divergence tapered quantum cascade lasers with plasmonic collimators[J]. Applied Physics Letters. 2013,102(19):191114-1-191114-4.

[13] Consolino, L., Nafa, M., Cappelli, F. et al. Fully phase-stabilized quantum cascade laser frequency comb. Nat Commun 10, 2938 (2019)

[14] Pecharroman-Gallego, R., An Overview on Quantum Cascade Lasers: Origins and Development. In Quantum Cascade Lasers, 2017.

[15] 譚松. 應用于痕量氣體檢測的量子級聯激光器研究[D]. 清華大學, 2014.

[16] Centeno, R.; Mandon, J.; Harren, F.; Cristescu, S., Influence of Ethanol on Breath Acetone Measurements Using an External Cavity Quantum Cascade Laser. Photonics 2016, 3 (2).

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