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採用內部倍頻目標氣體檢測的QCL

2011-10-12

由德克薩斯大學奧斯丁分校和Adtech Optics的工程師製造的量子級聯雷射器可在2.95 μm條件下實現室溫發射,它在化學檢測和光譜應用的理想波長範圍內。這是因為2.5-3.5 μm的光譜範圍包含幾個重要的分子吸收線,如甲烷和氨。

      銻材料也可以用來生產二極體雷射器、QCL和帶間級聯雷射器。然而,德克薩斯大學奧斯丁分校的通訊作者Mikhail Belkin認為,這些類型的器件生長和工藝很棘手。

      他的觀點是,一個用來製造光譜中紅外雷射器的更具成本效益的平臺是比較成熟的InGaAs和AlInAs材料系統,它也可用於電信雷射器。用這些材料製成的傳統QCL可以在室溫條件下和3.5-12 μm範圍內的連續波(CW)模式下運行。為了達到更短的波長,應變補償的超晶格可用來實現更深的阱和更高的勢壘。

      然而,用這種傳統設計生產在3.5 μm以下發射的QCL非常具有挑戰性。Belkin解釋說:“雖然在InGaAs和AlInAs的伽瑪點有高能量偏移,但電子可能分散在InGaAs到AlInAs中Xvalley的伽瑪穀中,他補充說,在某些鋁化合物中,AlInAs的能隙(bangap)是間接的。

      為了將GaInAs/AlInAs QCL延長到3 μm,這個美國小組在器件有源區之上插入了一個非線性層,它是專為實現二次諧波生成的諧振光學非線性而設計的。

      據報導,2010年由Belkin小組與普林斯頓大學和馬里蘭大學的團隊協作的第一代器件在3.6 μm條件下提供的峰值輸出功率不到10 μW。現在,在2.95 μm條件下的峰值輸出功率已經提高到35 μW,使用的是10 μm寬、3 mm長的脊形鐳射,它是由100 kHz重複率下的50 ns脈衝驅動的。最新器件採用了由配對的In0.67Ga0.33As和Al0.57Ga0.43As製成的、含有28個重複多量子阱結構的非線性層,可以產生只有2.2 kA/cm2的室溫閾值電流密度,這個足夠低的值表明這種設計能夠產生CW QCL。

      這些新型雷射器的推出源於材料品質的改善。更好的材料可能要歸功於大學團隊與生產QCL的商業代工廠Adtech Optics的合作。Belkin補充說:“我們還使用了應變補償結構,實現了非線形層更大的設計靈活性。”

      雖然這一學術界與工業界之間的夥伴關係獲得了成功,仍然有許多進一步改進的餘地。Belkin解釋說:“我們已經達到了Adtech Optics的現有QCL結構的非線性層,因此,有源區和波導配置對於二次諧波生成器件還不太理想。”

      缺乏這種優化的結果是泵模式與非線性段的重疊程度差。Belkin承認,團隊在考慮器件非線性段的帶結構方面也稍有不慎。這妨礙了QCL獲得完美的雙諧振能力。

      一旦該團隊解決了這些問題,應該能夠製造出至少1 mW輸出功率的雷射器。Belkin說:“我們計畫用隱埋式異質結器件來處理這些雷射器,以證明CW操作。”如果成功,研究人員將可製造出滿足化學檢測和光譜應用典型輸出功率要求的器件。

      另一個目標是證明其器件的外腔調整性,這將滿足光譜應用需求。Belkin說:“最後,我們還與Markus-christian Amann的小組合作設計了二次諧波發生雷射器,它可在2.5-4 μm光譜範圍內調諧0.5-1 μm。這將需要額外優化的非線性段和波導結構,以支援針對不同泵浦波長的高效准相位匹配二次諧波生成。”(M. Jang等。Electron. Lett. 47 667 (2011))

      


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