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)明的雙極型半導體激光器和1994年發(fā)明的單極型量子級聯(lián)激光器（QCL）是激光領域的三個重大革命性里程碑。

量子級聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導體激光器截然不同，它打破了傳統(tǒng)p-n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制，其發(fā)光波長由半導體能隙來決定，填補了半導體中紅外激光器的空白。QCL受激輻射過程只有電子參與，其激射方案是利用在半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，從而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發(fā)光波長。

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

量子級聯(lián)激光器的特點

量子級聯(lián)激光理論的創(chuàng)立和量子級聯(lián)激光器的發(fā)明使中遠紅外波段高可靠、高功率和高特征溫度半導體激光器的實現(xiàn)成為可能。一般而言，量子級聯(lián)激光器系統(tǒng)包括量子級聯(lián)激光模塊，控制模塊以及接口模塊。量子級聯(lián)激光器從結構上來說，可以分為分布反饋（Distributed Feedback）QCL，F(xiàn)-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity）QCL。量子級聯(lián)激光器由于其獨特的設計原理使其具有如下的獨特優(yōu)勢：

1：可以提供超寬的光譜范圍（mid IR to THz）。

2：極好的波長可調諧性。

3：很高的輸出功率，同時也可以工作在室溫環(huán)境下。

目前國際上已研制出3.6～19μm 中遠紅外量子級聯(lián)激光器系統(tǒng)。隨著技術的進步，目前量子級聯(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 激光器裝進一個氣密性封裝內，最大限度的保護了激光器的性能和壽命。

量子級聯(lián)激光器的分類：

QC激光器的基本結構包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益介質顯示為灰色，波長

選擇機制為藍色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。

1.最簡單的結構是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P結構中，切割面為激光提供反饋，有時也使用介質膜以優(yōu)化輸出。

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

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

濱松QCL的特點：

濱松QCL激光器波長在4um-10um之間。

濱松QCL激光器的結構特點：單級型、DFB激光器。

單極型：只通過一種載流子進行能級躍遷從而發(fā)射出固定波長的光，通過調整各阱的寬度和間隔進行n3到n2能級調整，從而調整對應激光出射波長，n2到n1出射一個光學聲子，n1與下一個周期的n3對齊，所出射的光學聲子輔助隧穿過微帶，微帶形成的布拉格反射層有阻斷光在其傳播的特點。

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

df=（c/λ2）×dλ

DFB激光器的線寬普遍在1MHz以內。

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

1.出射激光功率穩(wěn)定精確。

2.窄線寬可以達到<0.01nm的分辨率，遠大于普通濾波片的帶寬20nm?？梢郧逦姆直娉霰粶y氣體的吸收峰和被測量。

QCL的分類（8個可調諧波段QCL標準品）：

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。

可調諧波長為10nm-20nm，調諧方式有兩種：1.改變驅動電流：電流增大，波長增加 2.改變溫度：改變光柵溫度從而改變折射率，溫度升高，波長增大。

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

濱松QCL結構：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厚度結構的InGaAs/InAlAs組成，共厚約3μm。

濱松QCL應用：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。針對全球變暖溫室氣體，如CO2可以達到390ppm級別、CH4可以達到1800ppb級別、N2O可以達到320ppb級別。其中從成本考慮主要為SO2探測。

工業(yè)方面：火電廠檢測、天然氣精煉、汽車引擎評測等。QCL的優(yōu)勢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。