“量子級(jí)聯(lián)激光器”(QCLs)是在電磁波譜的中紅外部分發(fā)射的半導(dǎo)體激光器纫骑，1994年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Jerome Faist、Federico
Capasso九孩、Deborah Sivco先馆、Carlo Sirtori、Albert Hutchinson和Alfred Cho首次演示躺彬。
量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)
“量子級(jí)聯(lián)激光器”(QCLs)是在電磁波譜的中紅外部分發(fā)射的半導(dǎo)體激光器宪拥，1994年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Jerome Faist仿野、Federico Capasso、Deborah Sivco她君、Carlo Sirtori脚作、Albert Hutchinson和Alfred Cho首次演示。
與通過(guò)材料帶隙的電子-空穴對(duì)重組而發(fā)射電磁輻射的典型帶間半導(dǎo)體激光器不同，QCLs是單極的球涛，激光發(fā)射是通過(guò)在半導(dǎo)體多量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重復(fù)堆棧中使用子帶間躍遷實(shí)現(xiàn)的劣针。這個(gè)想法是由R.F. Kazarinov和R.A. Suris在1971年的論文“用超晶格在半導(dǎo)體中放大電磁波的可能性”中提出的。
在塊狀半導(dǎo)體晶體中亿扁，電子可能占據(jù)兩個(gè)連續(xù)能帶中的一個(gè)——價(jià)帶捺典，其中大量填充著低能電子；導(dǎo)帶从祝，其中少量填充著高能電子襟己。這兩個(gè)能帶被一個(gè)帶隙隔開(kāi)，在這個(gè)帶隙中沒(méi)有允許電子占據(jù)的狀態(tài)牍陌。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光二極管稀蟋，當(dāng)導(dǎo)帶中的高能量電子與價(jià)帶中的空穴重新結(jié)合時(shí)，通過(guò)單個(gè)光子發(fā)出光呐赡。因此，光子的能量以及激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)由所使用的材料系統(tǒng)的帶隙決定骏融。
然而链嘀，QCL在其光學(xué)活性區(qū)不使用塊半導(dǎo)體材料。相反档玻，它由一系列周期性的不同材料組成的薄層組成怀泊，形成一個(gè)超晶格。超晶格在整個(gè)器件的長(zhǎng)度上引入了一個(gè)變化的電勢(shì)误趴，這意味著在器件的長(zhǎng)度上霹琼，電子占據(jù)不同位置的概率是變化的。這被稱(chēng)為一維多量子阱限制凉当，導(dǎo)致允許能帶分裂為若干離散的電子子帶枣申。通過(guò)適當(dāng)?shù)膶雍穸仍O(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中兩個(gè)子帶之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)看杭，從而實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射忠藤。由于系統(tǒng)中能級(jí)的位置主要由層厚度而不是材料決定，因此在同一材料系統(tǒng)中可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)QCL的發(fā)射波長(zhǎng)楼雹。
此外模孩，在半導(dǎo)體激光二極管中，電子和空穴在穿過(guò)帶隙重新組合后湮滅贮缅，不能再發(fā)揮光子產(chǎn)生的作用榨咐。然而，在單極QCL中谴供，一旦電子經(jīng)歷了子帶間躍遷并在超晶格的一個(gè)周期內(nèi)發(fā)射光子块茁，它可以通過(guò)隧道進(jìn)入結(jié)構(gòu)的下一個(gè)階段，在那里可以發(fā)射另一個(gè)光子憔鬼。當(dāng)一個(gè)電子穿過(guò)QCL結(jié)構(gòu)時(shí)龟劲，它會(huì)導(dǎo)致多個(gè)光子的發(fā)射胃夏，這一過(guò)程產(chǎn)生了級(jí)聯(lián)，并使量子效率大于單位成為可能昌跌，從而產(chǎn)生比半導(dǎo)體激光二極管輸出更高的功率仰禀。
D1個(gè)QCL是在GaInAs/AlInAs材料系統(tǒng)中制作的，晶格匹配于InP襯底這種特殊的材料系統(tǒng)的導(dǎo)帶偏移量(量子阱深度)為520 meV蚕愤。這些基于InP的器件在中紅外光譜范圍內(nèi)達(dá)到了非常高的性能水平答恶，實(shí)現(xiàn)了高于室溫的高功率口糕，連續(xù)的波發(fā)射砾淌。1998年，Sirtori等人實(shí)現(xiàn)了GaAs/AlGaAs QCLs避咆，證明了QC概念并不局限于一個(gè)材料系統(tǒng)裕坊。這種材料系統(tǒng)的量子阱深度隨勢(shì)壘中鋁的含量而變化包竹。雖然基于GaAs的QCL在中紅外波段的性能水平無(wú)法與基于InP的QCL相匹配，但它們已被證明在太赫茲頻段非常成功籍凝。
QCLs的短波長(zhǎng)限制是由量子阱的深度決定的周瞎，近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)發(fā)射饵蒂，在具有非常深量子阱的材料系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)了QCLs声诸。InGaAs/AlAsSb材料體系的量子阱深度為1.6 eV，并被用于制備3.05 μm的QCLsInAs/AlSb QCL的量子阱深度為2.1 eV退盯，電致發(fā)光波長(zhǎng)短至2.5 μm彼乌。
QCL還可以在傳統(tǒng)上認(rèn)為光學(xué)性能較差的材料上進(jìn)行激光運(yùn)行。間接帶隙材料如硅在不同動(dòng)量值下具有小的電子和空穴能量渊迁。對(duì)于帶間光躍遷慰照，載流子通過(guò)一個(gè)緩慢的中間散射過(guò)程改變動(dòng)量，顯著降低光發(fā)射強(qiáng)度琉朽。然而焚挠，子帶間的光躍遷不依賴(lài)于導(dǎo)帶和價(jià)帶小值的相對(duì)動(dòng)量，因此對(duì)Si/SiGe量子級(jí)聯(lián)發(fā)射體提出了理論建議漓骚。在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段蝌衔，觀察到非極性SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)在價(jià)帶和導(dǎo)帶的子帶間電致發(fā)光。
對(duì)量子級(jí)聯(lián)增益材料進(jìn)行處理以制備有用的發(fā)光器件的D1步是將增益介質(zhì)限制在光波導(dǎo)中蝌蹂。這使得將發(fā)射的光引導(dǎo)成準(zhǔn)直光束成為可能噩斟，并允許建立一個(gè)激光諧振器，這樣光可以耦合回增益介質(zhì)孤个。
電介質(zhì)材料通常沉積在溝槽中剃允，引導(dǎo)注入電流到脊，然后整個(gè)脊通常涂上金，提供電接觸斥废，并在脊產(chǎn)生光時(shí)幫助消除熱量椒楣。光從波導(dǎo)的分叉端發(fā)射出來(lái)，其活躍區(qū)域通常只有幾微米的尺寸牡肉。常用的光波導(dǎo)有兩種捧灰。脊波導(dǎo)是通過(guò)在量子級(jí)聯(lián)增益材料上蝕刻平行溝槽來(lái)產(chǎn)生QC材料的孤立條紋，通常約10 um寬统锤，幾mm長(zhǎng)毛俏。第二種波導(dǎo)類(lèi)型是埋地異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這里饲窿，QC材料也被蝕刻產(chǎn)生一個(gè)孤立的脊煌寇。然而現(xiàn)在，新的半導(dǎo)體材料正在越過(guò)脊生長(zhǎng)逾雄。在QC材料和過(guò)度生長(zhǎng)的材料之間折射率的變化足以創(chuàng)建一個(gè)波導(dǎo)阀溶。介質(zhì)材料也沉積在QC脊周?chē)碾s草材料上，引導(dǎo)注入的電流進(jìn)入QC增益介質(zhì)鸦泳。埋地異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)在產(chǎn)生光時(shí)有效地從QC活性區(qū)域除去熱量淌哟。
雖然量子級(jí)聯(lián)增益介質(zhì)可用于產(chǎn)生超發(fā)光結(jié)構(gòu)中的非相干光，但它常用來(lái)與光腔結(jié)合形成激光器：
法布里-珀羅Fabry–Perot lasers
這是簡(jiǎn)單的量子級(jí)聯(lián)激光器辽故。首先用量子級(jí)聯(lián)材料制備光波導(dǎo)以形成增益介質(zhì)。然后腐碱，晶體半導(dǎo)體器件的兩端裂開(kāi)誊垢，在波導(dǎo)的兩端形成兩個(gè)平行的鏡子，從而形成Fabry-Pérot諧振器症见。從半導(dǎo)體到空氣界面的解理面上的剩余反射率足以創(chuàng)建一個(gè)諧振器喂走。Fabry-Pérot量子級(jí)聯(lián)激光器能夠產(chǎn)生高功率，但在更高的工作電流下通常是多模態(tài)谋作。波長(zhǎng)主要可以通過(guò)改變QC裝置的溫度來(lái)改變芋肠。
分布式反饋Distributed feedback lasers
分布式反饋(DFB)量子級(jí)聯(lián)激光器類(lèi)似于Fabry-Pérot激光器，除了建立在波導(dǎo)頂部的分布式布拉格反射器(DBR)遵蚜，以防止它發(fā)射到其他所需的波長(zhǎng)帖池。這就迫使激光器進(jìn)行單模操作，即使在更高的工作電流下也是如此吭净。DFB激光器主要可以通過(guò)改變溫度來(lái)調(diào)諧睡汹，盡管通過(guò)脈沖DFB激光器可以獲得調(diào)諧的有趣變化。在這種模式下寂殉，激光的波長(zhǎng)在脈沖過(guò)程中迅速“啁啾”囚巴，允許快速掃描光譜區(qū)域。
外腔external cavity lasers
在外腔(EC)量子級(jí)聯(lián)激光器中，量子級(jí)聯(lián)器件作為激光增益介質(zhì)彤叉。波導(dǎo)切面的一個(gè)或兩個(gè)都有一層抗反射涂層庶柿，以克服解化面的光腔作用。然后將反射鏡布置在QC裝置外部的結(jié)構(gòu)中秽浇，以創(chuàng)建光腔浮庐。如果在外腔中包含頻率選擇元件，就可以將激光發(fā)射減少到單一波長(zhǎng)兼呵，甚至可以調(diào)整輻射兔辅。例如，衍射光柵已經(jīng)被用來(lái)創(chuàng)建可調(diào)諧激光器击喂，它可以調(diào)諧超過(guò)15%的中心波長(zhǎng)
擴(kuò)展調(diào)諧Extended tuning laser
利用單片集成元件來(lái)擴(kuò)展量子級(jí)聯(lián)激光器的調(diào)諧范圍已有多種方法维苔。集成加熱器可以在固定的工作溫度下將調(diào)諧范圍擴(kuò)展到中央波長(zhǎng)的0.7%，上層結(jié)構(gòu)光柵通過(guò)游標(biāo)效應(yīng)可以將調(diào)諧范圍擴(kuò)展到中央波長(zhǎng)的4%懂昂，而標(biāo)準(zhǔn)DFB器件的調(diào)諧范圍<0.1%介时。
應(yīng)用
中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。光譜的這個(gè)區(qū)域之所以有趣凌彬，是因?yàn)閮蓚€(gè)事實(shí)的結(jié)合沸柔。在這些波長(zhǎng)下，大氣(至少在一定程度上)是透明的铲敛，而且許多感興趣的物種具有很強(qiáng)的基本吸收能力褐澎，這使得探測(cè)和識(shí)別它們成為可能。圖1描繪了大氣在可見(jiàn)光中通過(guò)電磁波譜的中紅外部分的傳輸情況伐蒋。重要的高透射區(qū)域存在于紅外中部工三，可以利用這些波長(zhǎng)傳輸功率，用于各種應(yīng)用先鱼。自由空間通信俭正、紅外對(duì)抗、遠(yuǎn)程成像焙畔、信標(biāo)和照明都由適當(dāng)波長(zhǎng)的QCL實(shí)現(xiàn)掸读。圖2是光譜的中紅外部分的圖，其中一些物種被放置在它們的強(qiáng)吸收發(fā)生的地方宏多。中紅外為那些希望探測(cè)儿惫、檢測(cè)、成像或量化這些以及包括炸藥伸但、神經(jīng)毒劑和毒素在內(nèi)的許多其他物種提供了豐富的信息姥闪。以萬(wàn)億分之一的范圍或相似物種之間的區(qū)別是可能的。
圖1砌烁，光通過(guò)大氣從可見(jiàn)光到中紅外線的傳輸筐喳，還指出了主要吸收的來(lái)源
圖2, 感興趣分子強(qiáng)吸收位置的圖示
QCL的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是遠(yuǎn)距離爆炸物檢測(cè)催式。在這一發(fā)展中領(lǐng)域，研究人員已經(jīng)設(shè)定了一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)避归，那就是在50米以?xún)?nèi)的距離內(nèi)用肉眼安全的激光探測(cè)和鑒別各種炸藥的納克數(shù)量荣月。有許多戰(zhàn)術(shù)被采用，一種方法是熱成像梳毙。當(dāng)一種化合物吸收紅外光時(shí)哺窄，它將吸收的大部分光以各向同性的形式重新發(fā)射為熱，這些熱可以被紅外相機(jī)成像账锹。由于每個(gè)分析物都有一個(gè)獨(dú)特的吸收光譜萌业，當(dāng)通過(guò)這些吸收調(diào)節(jié)中紅外源時(shí)，每個(gè)都將有選擇地加熱奸柬，并可以通過(guò)分析產(chǎn)生的多光譜或高光譜數(shù)據(jù)立方體來(lái)明確地識(shí)別生年。
當(dāng)量子級(jí)聯(lián)激光器作為中紅外光譜新技術(shù)的引擎時(shí)，它們也可以在新的性能水平上提供原始能量廓奕。已經(jīng)證明單個(gè)室溫設(shè)備的功率超過(guò)5W抱婉。將這種性能與堅(jiān)固的封裝相結(jié)合，使新一代紅外對(duì)抗(IRCM)設(shè)備成為可能桌粉。在中紅外“大氣窗口”中工作的高功率固態(tài)激光器可以被指針跟蹤器用來(lái)禁用地對(duì)空導(dǎo)彈上使用的熱導(dǎo)機(jī)制蒸绩，從而在戰(zhàn)場(chǎng)上保護(hù)士兵。多個(gè)“插座”體系結(jié)構(gòu)铃肯，其中一組QCL已被制成共線患亿，已在軍用加固包中進(jìn)行了生產(chǎn)。這些單位可以生產(chǎn)超過(guò)15瓦押逼，并已經(jīng)完成了一系列嚴(yán)格的環(huán)境測(cè)試步藕，包括直升機(jī)飛行測(cè)試。
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