QCL core technology

2019-02-19 14:12:21

量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser）是一種能夠發(fā)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(xiàn)。通常的半導體激光器是發(fā)光的機制是導帶和價帶中的電子空穴對在復合過程中發(fā)出光子，而量子級聯(lián)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(fā)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(qū)使用的光譜儀器，以及表1中列出的許多其他應用而言，QCL是最為合適的光源。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(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：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：

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(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(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。

Microphotons QCL激光器的性能特點：

1.出射激光功率穩(wěn)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。可以清晰的分辨出被測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(yōu)勢：

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

QCL激光器應用：

可分為環(huán)境方面和工業(yè)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(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。

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(xù)或連續(xù)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：

Beam Quality：