技术文章详细内容
采用内部倍频目标气体检测的QCL
2011-10-12
由得克萨斯大学奥斯汀分校和Adtech Optics的工程师制造的量子级联激光器可在2.95 μm条件下实现室温发射，它在化学检测和光谱应用的理想波长范围内。这是因为2.5-3.5 μm的光谱范围包含几个重要的分子吸收线，如甲烷和氨。
锑材料也可以用来生产二极管激光器、QCL和带间级联激光器。然而，得克萨斯大学奥斯汀分校的通讯作者Mikhail Belkin认为，这些类型的器件生长和工艺很棘手。
他的观点是，一个用来制造光谱中红外激光器的更具成本效益的平台是比较成熟的InGaAs和AlInAs材料系统，它也可用于电信激光器。用这些材料制成的传统QCL可以在室温条件下和3.5-12 μm范围内的连续波（CW）模式下运行。为了达到更短的波长，应变补偿的超晶格可用来实现更深的阱和更高的势垒。
然而，用这种传统设计生产在3.5 μm以下发射的QCL非常具有挑战性。Belkin解释说：“虽然在InGaAs和AlInAs的伽玛点有高能量偏移，但电子可能分散在InGaAs到AlInAs中Xvalley的伽玛谷中，他补充说，在某些铝化合物中，AlInAs的能隙（bangap）是间接的。
为了将GaInAs/AlInAs QCL延长到3 μm，这个美国小组在器件有源区之上插入了一个非线性层，它是专为实现二次谐波生成的谐振光学非线性而设计的。
据报道，2010年由Belkin小组与普林斯顿大学和马里兰大学的团队协作的第一代器件在3.6 μm条件下提供的峰值输出功率不到10 μW。现在，在2.95 μm条件下的峰值输出功率已经提高到35 μW，使用的是10 μm宽、3 mm长的脊形激光，它是由100 kHz重复率下的50 ns脉冲驱动的。最新器件采用了由配对的In0.67Ga0.33As和Al0.57Ga0.43As制成的、含有28个重复多量子阱结构的非线性层，可以产生只有2.2 kA/cm2的室温阈值电流密度，这个足够低的值表明这种设计能够产生CW QCL。
这些新型激光器的推出源于材料质量的改善。更好的材料可能要归功于大学团队与生产QCL的商业代工厂Adtech Optics的合作。Belkin补充说：“我们还使用了应变补偿结构，实现了非线形层更大的设计灵活性�！�
虽然这一学术界与工业界之间的伙伴关系获得了成功，仍然有许多进一步改进的余地。Belkin解释说：“我们已经达到了Adtech Optics的现有QCL结构的非线性层，因此，有源区和波导配置对于二次谐波生成器件还不太理想。”
缺乏这种优化的结果是泵模式与非线性段的重叠程度差。Belkin承认，团队在考虑器件非线性段的带结构方面也稍有不慎。这妨碍了QCL获得完美的双谐振能力。
一旦该团队解决了这些问题，应该能够制造出至少1 mW输出功率的激光器。Belkin说：“我们计划用隐埋式异质结器件来处理这些激光器，以证明CW操作�！比绻晒Γ芯咳嗽苯芍圃斐雎慊Ъ觳夂凸馄子τ玫湫褪涑龉β室蟮钠骷�。
另一个目标是证明其器件的外腔调整性，这将满足光谱应用需求。Belkin说：“最后，我们还与Markus-christian Amann的小组合作设计了二次谐波发生激光器，它可在2.5-4 μm光谱范围内调谐0.5-1 μm。这将需要额外优化的非线性段和波导结构，以支持针对不同泵浦波长的高效准相位匹配二次谐波生成�！保∕. Jang等。Electron. Lett. 47 667 (2011)）
锑材料也可以用来生产二极管激光器、QCL和带间级联激光器。然而，得克萨斯大学奥斯汀分校的通讯作者Mikhail Belkin认为，这些类型的器件生长和工艺很棘手。
他的观点是，一个用来制造光谱中红外激光器的更具成本效益的平台是比较成熟的InGaAs和AlInAs材料系统，它也可用于电信激光器。用这些材料制成的传统QCL可以在室温条件下和3.5-12 μm范围内的连续波（CW）模式下运行。为了达到更短的波长，应变补偿的超晶格可用来实现更深的阱和更高的势垒。
然而，用这种传统设计生产在3.5 μm以下发射的QCL非常具有挑战性。Belkin解释说：“虽然在InGaAs和AlInAs的伽玛点有高能量偏移，但电子可能分散在InGaAs到AlInAs中Xvalley的伽玛谷中，他补充说，在某些铝化合物中，AlInAs的能隙（bangap）是间接的。
为了将GaInAs/AlInAs QCL延长到3 μm，这个美国小组在器件有源区之上插入了一个非线性层，它是专为实现二次谐波生成的谐振光学非线性而设计的。
据报道，2010年由Belkin小组与普林斯顿大学和马里兰大学的团队协作的第一代器件在3.6 μm条件下提供的峰值输出功率不到10 μW。现在，在2.95 μm条件下的峰值输出功率已经提高到35 μW，使用的是10 μm宽、3 mm长的脊形激光，它是由100 kHz重复率下的50 ns脉冲驱动的。最新器件采用了由配对的In0.67Ga0.33As和Al0.57Ga0.43As制成的、含有28个重复多量子阱结构的非线性层，可以产生只有2.2 kA/cm2的室温阈值电流密度，这个足够低的值表明这种设计能够产生CW QCL。
这些新型激光器的推出源于材料质量的改善。更好的材料可能要归功于大学团队与生产QCL的商业代工厂Adtech Optics的合作。Belkin补充说：“我们还使用了应变补偿结构，实现了非线形层更大的设计灵活性�！�
虽然这一学术界与工业界之间的伙伴关系获得了成功，仍然有许多进一步改进的余地。Belkin解释说：“我们已经达到了Adtech Optics的现有QCL结构的非线性层，因此，有源区和波导配置对于二次谐波生成器件还不太理想。”
缺乏这种优化的结果是泵模式与非线性段的重叠程度差。Belkin承认，团队在考虑器件非线性段的带结构方面也稍有不慎。这妨碍了QCL获得完美的双谐振能力。
一旦该团队解决了这些问题，应该能够制造出至少1 mW输出功率的激光器。Belkin说：“我们计划用隐埋式异质结器件来处理这些激光器，以证明CW操作�！比绻晒Γ芯咳嗽苯芍圃斐雎慊Ъ觳夂凸馄子τ玫湫褪涑龉β室蟮钠骷�。
另一个目标是证明其器件的外腔调整性，这将满足光谱应用需求。Belkin说：“最后，我们还与Markus-christian Amann的小组合作设计了二次谐波发生激光器，它可在2.5-4 μm光谱范围内调谐0.5-1 μm。这将需要额外优化的非线性段和波导结构，以支持针对不同泵浦波长的高效准相位匹配二次谐波生成�！保∕. Jang等。Electron. Lett. 47 667 (2011)）
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