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量子級(jí)聯(lián)激光器的功能|應(yīng)用
量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段新型單極半導(dǎo)體器件，其工作原理是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿，與通常...[查看全部]
量子級(jí)聯(lián)激光器已被證明與傳統(tǒng)的二極管激光器具有不同的發(fā)光原理，它是在子帶間躍遷基礎(chǔ)上的一種新型激光器。在理論上量子級(jí)聯(lián)激光器的激射波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)性更強(qiáng)，擁有更廣泛的應(yīng)用前景。
量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明在80年代，對(duì)于子帶間激光器有很多嘗試，但在90年代初大部分已被放棄。在貝爾實(shí)驗(yàn)室，關(guān)于制造這樣一個(gè)電力泵浦的工作開(kāi)始于1991年，是在Jerome Faist加入Capasso的小組之后，并于1994年初取得了成功，他們發(fā)明了第一臺(tái)量子級(jí)聯(lián)激光器。
1997年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明并展示了超晶格活躍區(qū)量子級(jí)聯(lián)激光器，此激光器的發(fā)光躍遷發(fā)生在寬的超晶格子帶之間。這種激光器的高電流負(fù)載能力，對(duì)于同樣的級(jí)數(shù)可以達(dá)到更高的光功率。此外，這種設(shè)計(jì)還有其它的好處，比如使子帶間弛豫時(shí)間與子帶內(nèi)弛豫時(shí)間比率很大，從而自動(dòng)的保證了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
在原始的超晶格設(shè)計(jì)中，活躍區(qū)是被摻雜的，但這種設(shè)計(jì)卻導(dǎo)致了高閾值。為解決這個(gè)問(wèn)題，貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種有空間變化壁壘的非摻雜超晶格活躍區(qū)。當(dāng)加上適當(dāng)數(shù)量級(jí)的電場(chǎng)后，不同阱的能量狀態(tài)產(chǎn)生共振和雜交，這些能級(jí)被加寬并產(chǎn)生子帶。此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗沟妹}沖在相對(duì)低的閾值時(shí)就可在室溫下工作，并且峰值光功率達(dá)到了數(shù)百千瓦。此外，這種設(shè)計(jì)對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激射也是有幫助的。
在非摻雜超晶格活躍區(qū)激光器基礎(chǔ)上，激射波長(zhǎng)在2001年被擴(kuò)展到24μm。還有另外兩個(gè)關(guān)于超晶格量子級(jí)聯(lián)激光器的革新值得被提及。其中之一是“無(wú)注入?yún)^(qū)”激光器，其中注入?yún)^(qū)的作用被一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的雙量子阱阱間躍遷超晶格活躍區(qū)所取代。這種激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是活躍區(qū)更加緊湊且可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光學(xué)限制。另一個(gè)提高超晶格量子級(jí)聯(lián)激光器工作性能的設(shè)計(jì)由Gaetano Scamarcio提出，這個(gè)關(guān)于發(fā)射區(qū)的新穎設(shè)計(jì)允許電子進(jìn)入激發(fā)子帶的高能態(tài)。超晶格活躍區(qū)的應(yīng)用對(duì)于量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展是一個(gè)重要里程碑，它
... 查看全文量子級(jí)聯(lián)激光器不同于傳統(tǒng)P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器，是一種基于子帶間躍遷的新型激光器。由于量子級(jí)聯(lián)激光器有著良好的波長(zhǎng)可調(diào)性，有著廣泛的應(yīng)用前景，包括痕量氣體檢測(cè)、太赫茲通信、吸收測(cè)量研究、空腔衰蕩光譜研究、光聲光譜研究以及藥物、爆 炸物檢測(cè)等多方面的應(yīng)用。
量子級(jí)聯(lián)激光器的工作原理量子級(jí)聯(lián)激光器由量子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，基于帶結(jié)構(gòu)工程學(xué)設(shè)計(jì)且由分子束外延(MBE)技術(shù)生長(zhǎng)。它是單極型激光器，只依賴(lài)一種載流子，在有外加電場(chǎng)的情況下，利用電子量子隧穿通過(guò)由一組耦合量子阱構(gòu)成的注入?yún)^(qū)，到達(dá)由另一組耦合量子阱構(gòu)成的有源區(qū)，導(dǎo)帶激發(fā)態(tài)子能級(jí)電子共振躍遷到基態(tài)釋放能量，發(fā)射光子并隧穿到下一級(jí)，成為下一級(jí)相似結(jié)構(gòu)的注入電子，這樣一級(jí)一級(jí)傳遞下去，經(jīng)過(guò)多次的子帶間躍遷，使其在光腔中達(dá)到激射所需增益，形成激光。
量子級(jí)聯(lián)激光器激射波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由量子限制效應(yīng)決定的兩個(gè)激發(fā)態(tài)之間的能量差，而與半導(dǎo)體材料的能隙無(wú)關(guān)。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。
如上所述，量子級(jí)聯(lián)激光器的重要技術(shù)意義在于其波長(zhǎng)。波長(zhǎng)完全取決于量子限制效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)阱寬可調(diào)節(jié)激射波長(zhǎng)。用同種異構(gòu)材料，可跨越從中紅外至次千米波區(qū)域很寬的一個(gè)光譜范圍，其中一部分光譜對(duì)于二級(jí)管激光器是不易獲得的。
量子級(jí)聯(lián)激光器利用源于量子限制效應(yīng)的分立電子狀態(tài)，相應(yīng)的能量子帶幾乎是平行的。結(jié)果導(dǎo)致電子發(fā)生輻射躍遷至更低子帶(例如從n=3到n=2)，所發(fā)射的所有光子有相同的頻率υ，能量為hv=E3-E2，這里h是普朗克常量。如果粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在這些激發(fā)態(tài)中實(shí)現(xiàn)，即可產(chǎn)生激射發(fā)光。
量子級(jí)聯(lián)激光器的特點(diǎn)與常規(guī)半導(dǎo)體激光器相比，其量子級(jí)聯(lián)激光器特點(diǎn)是多方面的。主要包括：
1、電子利用效率高：
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量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段新型單極半導(dǎo)體器件，其工作原理是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿，與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。
量子級(jí)聯(lián)激光器的功能量子級(jí)聯(lián)激光器是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。
在量子級(jí)聯(lián)激光器中，出射激光波長(zhǎng)僅取決于導(dǎo)帶子帶的能量間隔，因此可以獲得中長(zhǎng)波激光;而且在同種材料體系中，可以通過(guò)半導(dǎo)體厚度和組分的能帶工程，改變各量子阱的寬度和間隔，改變躍遷能級(jí)之間的能量間隔ΔEc，改變出射激光的波長(zhǎng)。
另一方面，在量子級(jí)聯(lián)激光器中，電子在發(fā)射激光后，仍保持在導(dǎo)帶中;電子可以通過(guò)注入到相鄰的有源區(qū)，再次發(fā)射光子。為了得到光子的這種級(jí)聯(lián)發(fā)射，有源區(qū)和電子注入?yún)^(qū)交替，并加適當(dāng)偏壓，形成能量階梯，每一階都發(fā)射光子，這是量子級(jí)聯(lián)激光器可以高功率工作的主要原因。
不同於傳統(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，量子級(jí)聯(lián)激光器受激輻射過(guò)程只有電子參與，激射波長(zhǎng)的選擇可通過(guò)有源區(qū)的勢(shì)阱和勢(shì)壘的能帶裁剪實(shí)現(xiàn)。量子級(jí)聯(lián)激光器開(kāi)創(chuàng)了中、遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光器的先河。因此，它在紅外通信、遠(yuǎn)距離探測(cè)、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過(guò)程監(jiān)測(cè)、分子光譜研究、無(wú)損傷醫(yī)學(xué)診斷等方面具有很大的應(yīng)用前景。
量子級(jí)聯(lián)激光器的應(yīng)用量子級(jí)聯(lián)激光器的應(yīng)用在于中波紅外和長(zhǎng)波紅外(包含THz)頻段可以得到的適當(dāng)功率的激光，以及半導(dǎo)體激光技術(shù)體制帶來(lái)良好的適裝性。量子級(jí)聯(lián)激光器的應(yīng)用領(lǐng)域包括：紅外對(duì)抗、痕量氣體檢測(cè)、THz通信等。
1、紅外對(duì)抗系統(tǒng)
定向紅外對(duì)抗(DIRCM)是將紅外干擾光源的能量集中在導(dǎo) 彈導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)，干擾或飽和紅外導(dǎo)引頭上的探測(cè)器和電路，使導(dǎo) 彈丟失目標(biāo)，從而保護(hù)飛機(jī)免受紅外制導(dǎo)導(dǎo) 彈威脅。
量子級(jí)聯(lián)激光器由于體積小、重量輕，可室溫工作;與2.0m或1.
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