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        QCL core technology 2019-02-19

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        量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser)是一種能夠發射光譜在中紅外和遠紅外頻段激光的半導體激光器。它是由貝爾實驗室哲羅姆·菲斯特、費德里科·卡帕索等人于1994年率先實現。通常的半導體激光器是發光的機制是導帶和價帶中的電子空穴對在復合過程中發出光子,而量子級聯激光器的原理則是,在多層半導體形成的周期性量子阱超晶格結構中,利用其子能帶之間的電子躍遷發光,QCL是當今極常用的中紅外(mid-IR)激光器之一(也是太赫茲輻射領域的潛力光源),因為它遠比像光參量振蕩器(OPO)和光參量放大器(OPA)這些中紅外光源更緊湊、更堅固。因此,對于那些在IR分子“指紋”光譜區使用的光譜儀器,以及表1中列出的許多其他應用而言,QCL是zui為合適的光源。如果需要的話,這類儀器可以做成小型、電池供電且耐用的儀器,可在野外使用。


        量子級聯激光器的特點:

        量子級聯激光理論的創立和量子級聯激光器的發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成為可能。一般而言,量子級聯激光器系統包括量子級聯激光模塊,控制模塊以及接口模塊。量子級聯激光器從結構上來說,可以分為分布反饋(Distributed Feedback)QCL,F-P(Fabry-Perot)QCL 和外腔(External Cavity)QCL。量子級聯激光器由于其獨特的設計原理使其具有如下的獨特優勢:

        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境下。

        目前國際上已研制出3.6~19μm 中遠紅外量子級聯激光器系統。隨著技術的進步,目前量子級聯激光器不但能以脈沖的方式工作,而且可以在連續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。


        量子級聯激光器的分類:

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        QCL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。


        筱曉光子的DFB-QCL激光器的特點:

        我們的QCL激光器波長在4um-10um之間。低功耗光譜純正線寬窄,是目前全世界唯一一款低功耗的QCL-DFB激光器。

        Microphotons QCL激光器的結構特點

        單極型:只通過一種載流子進行能級躍遷從而發射出固定波長的光,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。


        Microphotons QCL激光器的性能特點:

        1.出射激光功率穩定精確,無模跳(頻率單一,單縱模),室溫工作。

        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。


        Microphotons QCL激光器分類(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。


        Microphotons QCL激光器優勢:

        1.發光效率高,在常溫下25℃就可以發光。對手產品需要制冷至-20℃才可以發光。

        2.功耗低驅動電流小跟普通DFB激光器一樣具有類型的驅動電流大小,只是驅動電壓會稍微高一些。

        Microphotons QCL激光器結構

        金屬層(散熱)、光柵收光層(改變折射率)、發光有源層。有源區由34層70nm厚度結構的InGaAs/InAlAs組成,共厚約3μm。


        QCL激光器應用:

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        可分為環境方面和工業方面以及大氣通訊方面(利用中紅外激光波長是大氣的窗口)

        環境方面: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。

        工業方面:火電廠檢測、天然氣精煉、汽車引擎評測等。QCL的優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。


        筱曉光子的FP-QCL激光器的特點:

        100% “歐洲制造” / 可出口中國

        高品質光束模 (TM00, 高斯光束)

        高電光轉化效率

        準連續或連續模式(QCW/CW)

        客戶訂制激光波長

        提供配套驅動設備


        我們的激光器特性

        激光類型: 法布里-珀羅多模 QCL

        激光波長: 4μm, 4.6μm, 9μm

        輸出功率: 最高可達 2 瓦

        模品質: TM00, M2<1.5, 散度<8mrad

        工作溫度: 室溫

        封裝類型: HHL 標準封裝或客戶訂制


        L-I-V曲線:

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        Beam Quality:

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