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量子级联激光器技术内涵及其应用前景


本文由信息与电子前沿,作者:华北光电技术研究所专家毛登森,本篇节选自论文《量子级联激光器技术内涵及其应用前景》,发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第4期

 

量子级联激光器

量子级联激光器(Quantum Cascaded Lasers,以下简称“QCL”)是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。在QCL中,出射激光波长仅取决于导带子带的能量间隔,因此可以获得中长波激光;而且在同种材料体系中,可以通过半导体厚度和组分(如InxGa1-xAs/InyAl1-yAs)的能带工程,改变各量子阱的宽度和间隔,改变跃迁能级之间的能量间隔ΔEc,改变出射激光的波长。

另一方面,在QCL中,电子在发射激光后,仍保持在导带中;电子可以通过注入到相邻的有源区,再次发射光子。为了得到光子的这种级联发射,有源区和电子注入区交替,并加适当偏压,形成能量阶梯,每一阶都发射光子,这是QCL可以高功率工作的主要原因。

本文从有源区方案设计及其优化、安装与封装、光子晶体QCL等设计技术,简要概述了量子级联激光器技术内涵;简要分析了当前QCL激光器研究热点和发展现状;最后从中波红外对抗、痕量气体检测、THz通信等应用技术方面,对QCL的技术应用前景进行了简要分析。具体如下:

 

1. QCL技术内涵

1.1  有源区技术路线演进

具有较高的内量子效率是QCL获得较高的电光效率和出射功率的关键。在QCL发展历程中,先后提出了三阱垂直跃迁有源区、超晶格有源区、应变补偿量子阱有源区、束缚-连续跃迁有源区、四阱双声子共振有源区、非声子共振设计结构等有源区设计方案,代表了QCL技术演进路线。这里简要介绍如下:

1)三阱垂直跃迁有源区

世界上首例InGaAs/InAlAs QCL是采用三阱垂直跃迁有源区方案实现的。它由薄InAlAs层作为势垒,紧密耦合三个InGaAs量子阱组成的,注入区的微带完成连续有源区之间的共振载流子传输。在注入区没有显著的载流子弛豫,前一个有源区能级1与下一个有源区的能级3发生共振。该设计的优点在于避免了因外加偏压过大使共振隧穿被抑制,从而造成激光器过早地停止工作。由于电流具有较宽的动态范围,即使能级1和3之间的共振被破坏,仍然存在从注入区向有源区的有效载流子注入,即有效共振隧穿注入是其最大的优点。

2)超晶格有源区QCL

超晶格有源区QCL的有源区由多个强耦合的量子阱组成,激光跃迁发生在微带之间。由于在有源区和注入区之间进行微带传输,使得超晶格有源区QCL具有较大的电流承载能力与相应的高功率输出。由于基态寿命较短(τ21=0.2~0.4ps),因此,易于实现本征的粒子数反转和在布里渊区边界处具有高振子强度的激光跃迁性质。因此,超晶格有源区技术方案的优势在于可以实现较大功率和高粒子数反转。

3)应变补偿量子阱有源区

应变补偿量子阱有源区方案应是三阱垂直有源区方案的改进。Bour等人研究表明,采用更导带不连续性ΔEc的有源区体系,可以进一步提高QCL的工作温度,然而,较大的ΔEc值,限制了QCL的短波激射极限,更重要的是,由于高能态子带离阱口的能量间距太小容易使产生激光跃迁的高能态电子产生热逃逸,这是QCL室温工作时阈值电流过高的一个主要原因。应变补偿量子阱有源区方案的核心在于改变材料的组分(如在InP基的InxGa1-xAs/InyAl1-yAs中,使x>53%,y<>

4)束缚-连续跃迁有源区

束缚-连续跃迁有源区方案是在三阱垂直有源区和超晶格有源区方案基础上提出来的。束缚-连续跃迁有源区结构由一个跨越整个周期的超晶格微带组成,有源区的中心部位超晶格微带较宽,在接近注入势垒区的两侧时逐渐变窄。相应地,波函数在进入有源区时平缓衰减,在接近注入势垒区时具有最大值。这种微带结构形式和波函数组态,将使电子在激光跃迁发生时,被散射到微带中,并直接被传输到下一个周期,降低了电子被散射到基态能级的概率。这是一个比较具有竞争力的方案,既具有了三阱垂直有源区有效共振隧穿的特点,兼具有超晶格有源区高粒子数反转的优势。

5)四阱双声子共振有源区

四阱双声子共振有源区是在三阱垂直跃迁有源区的第一个量子阱之前在设置一个薄阱层,这种有源区结构设计同时兼有三阱垂直有源区高注入效率的特点和超晶格有源区低激发态短寿命的特点,获得了迤今为止最大输出功率的QCL。

6)非声子共振设计结构

当今,大多数高性能的QCL已经使用了双声子共振设计结构,它是获得室温连续波运行的首个设计结构,但该结构采用了自由度约束,限制了指定结构内可得到的优化值。美国Pranalytica公司在不改变性能的情况下,通过操控量子能级的精确位置,成功地恢复设计的自由度。采用新型结构设计生产的QCL,室温连续波下得到1.6W输出功率,电光转换效率(WPE)为8.8%。

1.2  提高WPE技术途径

电光转换效率WPE是代表整个器件质量的重要指标。美国西北大学得到了美国国防先进计划局(DARPA)有效中红外激光器(EMIL)计划的支持,EMIL计划的主要目标是提高电光转换效率。Pranalytica公司也得到DARPA No.W911QX-07-C-0041合同的部分支持,发展高功率和高电光效率QCL器件。综合美国西北大学和Pranalytica公司实施电光转换效率WPE改进方案,除改进了有源区设计方案外,还采取了如下技术途径:

1)优化有源区尺寸和有源区级数

Pranalytica公司通过理论分析和测试验证,得到如下结论:

a)采用更长的腔长,输出功率能够增加,而电光转换效率WPE没有明显的减少。这种方法可以从窄器件得到高功率,这使得受自加热影响更少。理论分析表明存在最佳腔长Lopt,对高反射率未镀膜的4.6μm QCL,Lopt约等于3mm。

b)脊宽W和腔长L之间的关系:较窄的脊宽才可以在室温下连续运行,减少脊宽可以得到更高的连续波运行温度;对于脊宽更宽的激光器,随着脊宽的增加,在中心处积累了更多的热,高占空比输出功率降低可能属于此效应;相对较长的腔能够得到更高的工作温度和输出功率。较窄的脊和较长的腔可以进一步改进高工作温度和高功率输出连续波运行。

c)增加有源区级数、增大每级有源区片载流子密度以及增大芯片尺寸(如宽度或长度),已经被证实在脉冲模式下输出更高的峰值功率,但是它们中的绝大部分对连续波器件作用有限。

2)掩埋式异质结构

掩埋式异质结构是提高器件性能非常成功的方法。在此结构中,在QCL晶片上刻蚀激光脊,而后在它们周围空间中生长出热传导、电绝缘和光透明的材料。这种材料现在能有效地从超晶格侧向移除热量,同时侧向波导边缘上可以减少光损耗;减少了激光器脊上由热膨胀、芯片焊接等产生的应力,同时将热耗散材料直接与激光器有源区接触,改善热传输。InP具有Ⅲ-Ⅴ半导体非常高的热导率(68W/mK),在中长波段具有高的透射率;利用InP:Fe侧向再生的掩埋式异质结构已成为高性能QCL的有效标准。

3)激光器脊周围电镀Au

美国西北大学经证实,电镀金可以使器件热阻减少43%。各种情况对比测试结果见下表。

表1  各种情况对比测试结果

 量子级联激光器技术内涵及其应用前景

4)外延面向下固定安装

外延面朝下焊合,可使产生热的有源区更接近热沉的接触面,减少热阻;采用高热导率的衬底材料而且其热膨胀系数与InP很好的匹配。在室温下AlN陶瓷材料的热膨胀系数几乎与InP完美匹配,使用AlN子底座和AuSn焊料可以实现QCL高可靠性安装;人造金刚石具有更高的导热率(大于1000W/mK),采用金刚石使单个芯片室温连续波功率达到了3W,最大WPE超过12.5%。

5)高性能和高可靠性QCL的封装

QCL的封装对系统级应用非常重要,要能确保QCL器件乃至整个系统长期可靠。可以采用TEC制冷器有效消除QCL芯片自身产生的热,并将热量传送到外部;此外,组件还需要把QCL光功率输出有效耦合到外部。最后,整个封装需要气密结构,以进一步提升器件可靠性。如Pranalytica公司蝴蝶型QCL组件封装,如下图所示。

量子级联激光器技术内涵及其应用前景
图1 去顶盖的密封蝴蝶型组件图片

1.3  光子晶体QCL技术

QCL与传统的带间半导体激光器相比,辐射复合效率较低,因此存在较高的阈值电流密度,导致了严重的器件加热等问题。为了减少阈值电流密度,其中的方案之一在于增加反射镜的发射率,提高谐振腔的质量因子Q。谐振腔一端镀高反射膜,已经取得了进展;光子晶体可以按激光波长形成高反射膜,将QCL腔嵌入到光子晶体(PhC)结构中,进一步提高反射率,降低谐振腔损耗。

1维光子晶体已经成功地应用在垂直腔面发射激光器(VESELs)和分布反馈(DFB)激光器中。单片式空气-半导体布拉格反射器的QCL(λ≈9.4μm),采用表面凹凸光栅作为光反馈,布拉格反射器代表了1维光子晶体,其反射率达到了80%,相比较晶体解理面的反射率仅为23%。

2维PhC在QCL腔周围形成高反射率反射镜,保证了对光的约束;将电流注入到光子晶体和QCL中心微腔中,光子晶体是有源的,有可能增加系统增益,降低器件损耗;由于QCL子带跃迁的横磁偏振特性,发射的光子在垂直于量子阱平面方向不能传播,2维的光子晶体可以实现准3维光子晶体结构;光子晶体可以大幅减少总的器件尺寸,也相应地减少了器件发热和激光阈值电流密度。

在前人理论研究基础上,美国西北大学通过仿真,得到2维光子晶体结构尺寸如下:柱直径1.5μm、晶格周期3.0μm、折射率2.4,可以实现高反射率窗口:中心波长10μm,阻带宽度4μm。根据此参数,美国西北大学设计制作了光子晶体QCL样片,测试结果验证了光子晶体QCL的可行性。

1.4 内腔式DFG THz量子级联激光器技术

到目前为止,所见报道的THz-QCL在3.9THz时最高工作温度为186K,提高THz-QCL的工作温度依然是最大的挑战。基于差频发生器(DFG)的THz源,不同于以基模振荡器为基础的THz-QCL,以中红外QCL的二阶非线性效应为基础,不受工作温度的限制。DFG基THz-QCL的最大限制是功率转换效率(即二阶非线性极化系数),理论估值是1mW/W2,已报道的室温下实验转换效率为5μW/W2。DFG-THz首次演示以9.2μm~10.8μm双波长有源区为基础。得到的测试结果如下:

脉冲工作模式下:泵浦源激光脉冲宽度60ns,占空比1.5%,室温下单模工作,获得了单模THz工作(~4THz),在不同的工作电流下,波长几乎固定不变,信号线宽为6.6GHz。

连续工作模式下:中红外连续泵浦源总功率为2W,得到的THz功率为8.5μW,功率转换效率大约为10μW/W2。

预计此项技术应用于4.4~4.5μm波段,并利用适当的非线性DFB方法,通过高功率泵浦源,有望可以得到更高性能的THz源。

1.5 单模宽光谱调谐量子级联激光器

单模宽光谱调谐激光器是激光光谱仪实现痕量气体检测的核心部件,这里给出了单模宽谱调谐激光器的三种实施方案:温度调谐分布反馈DFB激光器、宽增益光谱激光器和芯片上的宽带分布反馈DFB激光器。

(1)温度可调谐DFB激光器

在分布反馈DFB激光器中,将衍射光栅刻蚀在激光器脊的上表面上,或注入区有源区之上的材料中,其上接着再生长包堆层。光栅周期d决定了精确的波长或者激光模式,并满足布拉格条件λ=2neffd ,这里neff为波导的有效折射率,满足条件的光衍射出光栅。通过温度控制器改变激光器的工作温度,从而实现DFB QCL波长可调。

(2)宽增益光谱激光器和外腔调谐QCL

在痕量气体探测方面,常常需要QCL产品在近室温环境下,具有更大的单模调谐范围。在外腔(EC)调谐QCL中,由单个QCL产生的调谐范围连续波约200cm-1,脉冲超过300cm-1,调谐范围比典型的DFB QCL所提供的宽得多,这对于痕量气体分析是十分期望的,可以同时探测多种化学物质,允许绘制非常宽的吸收谱线图。外腔结构允许在可利用的QCL光谱覆盖范围选择QCL波长,而不需要改变激光器的芯片温度。

在外腔可调谐宽光谱QCL激光器中,要得到连续可调谐,腔长和光栅角度必须相互追踪。其中一个三自由度的主动调节宽调谐方案是:这三个自由度是光栅角度(精确光栅旋转)、EC长度(压电换能器控制的光学元件)和芯片光学长度(驱动电流和/或芯片温度),可利用查表识别出该激光波长的正确参数值,作为所需要的波长函数。

(3)芯片上的宽带DFB激光器

DFB QCL阵列可以制作成覆盖中波红外的单模光源,比如利用束缚至连续态有源区设计得到了9μm附近85cm-1单模激光波段。在同一芯片上集成这些器件,通过微电子控制器单独驱动这些阵列。阵列激光器发射激光波长间隔足够小,使得QCL材料的增益光谱内的任何波长可以选择其中的一个区间,调节它的温度实现单模发射。为了得到阵列单元激光器标称的激光发射光谱,可以小范围内调节激光器温度,或改变整个激光器热沉的温度来实现。

1.6  QCL多光束组合按比例功率放大技术

为了满足中波红外对抗等衍射限高功率激光输出的需要,或在输出光束中叠加不同的激光波长,实现按比例功率放大,这里给出两种技术方案:

方案一、光谱光束组合(SBC)方案:即介质反射镜或者衍射光栅与波长有关的反射率(透过率),可以按比例扩大到更多的单独发射器进行组合,已经应用到4.5μm~5μm发射波长的QCL;

外腔中SBC方案如下图所示。QCL线列产生的发散输出光束由单透镜(变换透镜)准直,而这种单透镜把各个发射器的空间间隔转变为准直光束的角差△α。当每一个激光器发射波长调节合适时,通过光栅衍射,产生一条共线输出光束。从基本的光栅衍射理论得出相对于中心发射器位置的侧向偏差△x,其波长为λ0的输出光束以入射角α0入射在光栅上,可通过波长位移来一阶近似补偿,即为:

量子级联激光器技术内涵及其应用前景

式中g表示光栅周期,f是变换透镜的焦距。容易完成把适当的波长λ0+△λ分配到每一个QCL,而且增加部分反射的平面输出耦合镜提供波长选择性光学反馈。按此方法,外腔一方面由QCL的背面形成,另一方面由输出耦合镜形成,而且用衍射光栅作为它们之间的内腔波长选择元件。通过输出耦合镜发射的输出光束是所有各个发射器输出光束的共线叠加。

量子级联激光器技术内涵及其应用前景
图2  SBC EC-QCL装置的基本布局。该腔一方面是由镀高反射膜的QCL背面形成,另一方面是由部分透明输出耦合镜形成。经过光栅的光学反馈分配特殊波长到每一个发射器

方案二、QCL与微透镜阵列耦合方案:对于如目标照明和主动成像应用,只需要准直输出光束,没有必要重新聚焦光束到目标上,近间隔的QCL阵列与光束准直用的微透镜阵列结合,可以提供输出光束准直方案,在远场重叠。

该方案使用放在QCL线列输出面前的微透镜阵列。每一个QCL都有自己的准直光学,这就会产生一组间隔短的准直输出光束,而且彼此相互平行传播。这些输出光束相隔的中心间距等于QCL和透镜阵列之间节距。由于有限的光束发射角,这些光束在远场完全重叠。这种技术的主要优点在于,与前面利用EC-QCL装置的SBC方法相比,可以制造成非常紧凑和坚固的激光器-透镜组件,而且配准的微透镜阵列黏附到激光器热沉上。

1.7  II型带间跃迁级联激光器(ICL)

1994 年美国加利福尼亚技术研究所喷气推进实验室的Rui.Q.Yang首先提出了II型带间级联激光器(ICL) 的概念。InAs/AlSb/GaSb 超晶格具有较大的导带不连续,能提供非常好的自由载流子限制,而且GaSb、 InAs及AlSb 的晶格常数非常接近,有利于生长高质量材料,因此它很适合做II型ICL 的材料。理论预测它能够在室温下以连续波(CW) 模式激射,且具有高的输出功率和低的阈值电流密度。德国Nanoplus GmbH联合维尔茨堡大学等研究机构,已经成功推出了3~6μm 波长范围的ICL激光器。

虽然带间级联激光器已经取得了很大的进展,但是阈值电流密度仍然很高。首先是波导的设计, 波导必须能够有效地限制光模,表现出很低的光损耗,并能有效地将载流子从电极传输到级联区;其次是俄歇复合的限制,俄歇复合对ICL 的工作性能影响非常大,俄歇复合过程的深入研究有助于改善器件的性能;此外,与InP 基和GaAs 基QCL 等半导体激光器技术相比,ICL 的器件制作和MBE 生长参量都尚未最优化,因此,II型ICL 还有很大的发展空间 。

 

2. QCL技术研究热点及其现状

近20年来,QCL技术得到了突飞猛进的发展,尤其在中波红外4μm~6μm频段,基本达到了实用化的程度。国外能够提供量子级联激光器货架产品的厂家包括美国Pranalytica公司、Daylight Solution公司、THORLABS公司,日本Hamamatsu Photonics公司,加拿大Rayscience公司等。其中美国Pranalytica公司能够提供宽光谱、波长可调谐、波长稳定等产品,1101-XX-HP-XXXX器件中心波长4.6μm最大功率可达4W ;宽谱系列器件波长从3.8μm~12μm;可调谐QCL器件可调谐范围为中心波长约5%(单波长可调MonoLux系列)或150nm(外光栅腔可调ChromaLux系列)。

因此,当前QCL研究热点将集中在短波红外(≤4μm)、长波红外(≥6μm)和THz频段,以及引入光子晶体技术,降低电流阈值,提升器件性能等方面。具体如下:

2.1  短波红外(λ<>

QCL的频率上限由限定量子阱的最大势垒高度决定。到目前为止短波红外QCL只实现了室温脉冲运行,主要难点在于材料生长和热管理。应变平衡结构InGaAs/InAlAs室温连续工作最短波长是3.4μm,短于3.0μm的更短波长是可能的,但要以大幅降低工作温度为代价。在3μm~4μm光谱范围,另一项技术基于GaSb价带和相邻的InAs层导带间的带间光跃迁(II型ICL),如1.6所述。锑化物材料的制备技术不如InGaAs/InAlAs和AlGaAs/GaAs III-IV族化合物那样成熟。

在此波段,能够提供货架产品的是美国THORLABS公司等,采取F-P带间激光器(ICLs)技术体制,工作波长3.42μm(型号IF3420CM1)、3.55μm(型号IF3550CM1),输出光功率30mW。短于3.0μm的激光器实用产品未见报道。

2.2  长波红外(λ>6μm)QCL技术

长波红外QCL面临的主要挑战是:增加了与自由电子有关吸收损耗,较长波长的光学约束较弱,较薄波导和光学涂层的器件制作困难。事实上,自由电子吸收随着波长增加即αel~λn,在这里幂关系是在n=2~3范围内,而子带间吸收随着跃迁能量减少变得更强,这是因为在有源材料注入/弛豫区域中低能级间的跃迁所需的动量交换比高能级跃迁要少。

因为器件的几何结构以及制作和设计的局限性,典型的有源导波芯厚度DAR=1.5μm~2.5μm范围。因此,λMWIR/n<><λlwir>

随着激光波长朝LWIR窗口的远红外端移动,所有这些因素促使器件性能逐渐恶化。通过下图所示的激光器典型输出功率与设计波长的分布,得知,长波输出功率从λ≈7μm时总功率P=1W逐渐减少到λ≥11.5μm时P=10~100mW。

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图3  AdTech公司典型制作的QCL掩埋式异质结构器件室温连续输出功率与波长的关系。P>1W室温连续波QCL的最佳工作波段介于波长4.5~9μm之间,主要是取决于InP基材料特性。

长波(8μm~16μm)QCL,着重于增加高温下QCL的峰值和平均输出功率。1997年首次演示了室温脉冲运行的8.5μm QCL,采用埋置异质结构结合外延面朝下固定和反射镜镀膜,在~9μm处实现了室温连续波运行。采用超晶格设计结构,周期数按比例缩放,真正演示了功率按比例缩放,在9μm处没有观察到明显饱和,但功率要稍微取决于波导内与波长有关的损耗。

在长波红外(λ>6μm)频段,美国Pranalytica公司宣称可以提供波长~12μm的宽谱系列器件,但没有6μm~12μm参数曲线,尚不能判断其技术水平;美国THORLABS公司可以提供7.70μm(QF7700CM1,功率250 mW)、8.35μm(QF8350CM1,功率300 mW)、9.15 μm(QF9150CM1,功率180mW)、9.55 μm(QF9550CM1,功率80mW)F-P激光器,也可以提供类似波段的DFB激光器。更长波段的QCL未见报道。

2.3  THz-QCL技术

研制THz-QCL需要解决两个关键问题:一是如何实现有效的粒子数反转,二是在THz范围内。由于存在严重的自由载流子吸收损耗,常规的波导结构不再适用。为了实现THz-QCL的有源区微带间的粒子数反转,注入区应设计成能量间隔大于LO声子能量,而低能带微带又和多量子阱激光跃迁区的高能带相对应,注入区的高能带电子因LO声子的共振弛豫到低能带微带中,而后迅速通过共振隧穿进入跃迁区的高能带。产生激光跃迁的两个能带之间的间距小于LO声子能量,这样因声子瓶颈效应导致电子从高能态散射到低能态的时间较长而形成粒子数反转。而作为THz-QCL的波导结构,应是经过特殊设计的双金属薄膜结构。

迤今,人们已采用AlGaAs/GaAs、AlGaN/GaN和SiGe/Si等体系材料,设计并制作了3THz~7THz的QCL,目前这些THz-QCL的主要问题是工作温度和峰值功率偏低,工作温度一直低于200K徘徊,输出光功率未获得重大突破,还期待有源区设计、波导结构和新结构材料体系等方面取得突破。

另一可行的技术是基于差频发生器(DFG)的量子级联技术,如1.4所述。

加拿大Rayscience公司可以在1.8至5THz范围内毫瓦级功率的Easy QCL系统,采用斯特林循环冷却系统,部分产品参数如下:

表2  部分QCL规格

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2.4  光子晶体QCLs设计与制作

将光子能带工程和电子能带工程相结合而研制成功的光子晶体QCL,为它在小型化和单片集成方面开辟了道路。由于目前平面制作工艺相对成熟,所以平面光子晶体是一种富有应用前景的光子学器件。一般而言,一个表面发射光子晶体QCL的制作是采用通常的光子晶体的深蚀刻方法,将所需腐蚀的图形穿过QCL有源区,直至下波导层。在具有较低折射率的下波导层腐蚀出二维光子晶体图形与波导芯的图形,这样对导波起到有效的垂直限制作用。这种设计方法减少了辐射到衬底的衍射,同时提供了平面内强反馈的高折射率差半导体-空气二维光栅。

2维光子晶体的制作需要解决如下制作工艺、器件安装和刻蚀掩膜制作等问题:高深宽柱体的加工是困难的,具有很大的挑战性,制作工艺还不太成熟;刻蚀掩膜是干法刻蚀的关键,掩膜的设计柱体完整性还不能得到保证:器件外延面朝下安装,安装过程中应避免易碎的光子晶体柱体的损伤。详细情况详见1.3。尚未见到类似成熟产品的报道。

 

3. QCL技术应用前景

QCL激光器应用前景在于中波红外和长波红外(包含THz)频段可以得到的适当功率的激光,以及半导体激光技术体制带来良好的适装性。QCL未来可能的应用领域包括:红外对抗、痕量气体检测、THz通信等。这里分别简要分析如下:

3.1  红外对抗系统

定向红外对抗(DIRCM)是将红外干扰光源的能量集中在导弹导引头视场内,干扰或饱和红外导引头上的探测器和电路,使导弹丢失目标,从而保护飞机免受红外制导导弹威胁。文献[10]给出了国外定向红外对抗装备的发展现状及发展动向。QCL激光器由于体积小、重量轻,可室温工作;与2.0μm或1.6μm固体激光器+OPO技术体制的干扰激光源相比,电光转换效率高得多,具有更加良好的适装性,工作波长更适合调谐在中波红外制导武器的峰值工作波段内。QCL激光器技术上已经取得了突破性进展。2011年7月, Daylight Solutions公司公布消息称基于QCL的红外干扰机(QCL based JammIR?)通过了美国空军的测试,验证了干扰机可以有效保护大型飞机、小型飞机和旋翼直升机免受对付红外制导武器(如肩扛式空防武器等)的威胁。

3.2  痕量气体检测

激光光谱检测系统是实现痕量气体检测的主要手段。温室效应气体CO2、CH4、N2O等,以及神经毒气、糜烂毒气、爆炸物等气体,与疾病诊断如哮喘、溃疡、肾、肝、胸、肺、糖尿病、器官排异、精神分裂等有关的特征气体,其基频吸收谱线均落在2μm~14μm波段内。基于单模宽光谱调谐QCL可以同时实现多种痕量气体检测,具有体积小、重量轻、检测速度快、适装性好等优点,可广泛地应用于国家安全、环境监测、工农业生产、医疗诊断、太空探索等领域。基于量子级联激光器的红外光谱检测技术已成为各发达国家研究的热点。

美国AERODYNE Research公司,推出了两款基于QCL的激光光谱仪,实现宽范围大气痕量气体超高灵敏度探测。其中,双激光量子级联激光器痕量气体监视器主要技术参数如下:

l 两台激光可以同时实施测量;

l 光学路径长度:76m或210m;

l 几何尺寸:530 mm×660 mm ×710 mm;

l 重量:72 kg;

l 电功率:500 W,120/240V, 50/60 Hz (带 Varian IDP-3 真空泵)。

量子级联激光器开路系统(QCLOPS)采用了Daylight Solutions股份有限公司提供的商用、宽调谐范围、热电制冷的脉冲QCL作为光谱仪光源,适用的路径长度大约为0.1 km ~1.0km。激光器的可调谐范围很宽,使其有可能几乎同时监测大气层较低部分的多种微量气体,如臭氧、氨气(NH3)和二氧化碳(CO2)等。2008年夏季,在中国科学院大气物理研究所对此系统进行了为期三个月的现场测试。2014年~2017年,安徽光机所将牵头承担国家863计划资源环境技术领域“先进环境监测技术设备”重大项目。

3.3  THz通信

太赫兹(THz)通常是指频率在0.1~10THz(波长为0.03~3 mm)的电磁波,是宏观电子学向微观光子学过渡的频段, 在电磁波频谱中占有很特殊的位置。THz通信是未来THz领域的重要应用,具有大气不透明、带宽宽、天线小、定向性好、安全性高和散射小等特点,决定了其应用领域非常广泛,包括卫星间星际通信、同温层内空对空通信、短程地面无线局域网、短程安全大气通信以及发展THz通信理论。

关于THz军事通信的研究计划也层出不穷,如:美国航空航天局(NASA)、美国空军科学研究办公室实验室(AFOSR)和美国空军研究实验室(AFRL)的传感器研究部研究空军成像,通信和预警用的紧凑创新的SiGe基THz源和探测器, 欧盟第五框架计划资助的WANTED工程及NanoTera工程 。

目前THz源发射器的研究主要有THz-QCL、差频发生器(DFG)、参量振荡器(TPO)及其它THz源发生器。在这些THz发射器中,THz-QCL具有电光转换效率高,体积小、重量轻、适装性好等优点,是QCL的重要发展方向。

 

结 语

根据产业发展曲线的趋势预测,当前QCL产业应处于产品化的关键阶段,国际企业已经基本完成技术积累,国内企业开展QCL技术研究,时不容缓,机遇和挑战同在。本文编写过程中,直接引用了2012年11月中国电科11所信息中心翻译和编写的《量子级联激光器》资料专辑,在此谨表示衷心的感谢。

(文章来源:信息与电子前沿(ID:caeit-e) ) (责任编辑:大林)

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