量子級聯激光器是一種很有前途的中紅外半導體(ti) 光源，可用於(yu) 環境傳(chuan) 感或醫療診斷等国产成人在线观看免费网站中的分子檢測。對於(yu) 這樣的国产成人在线观看免费网站，研究人員一直在努力提高設備的性能。近年來，為(wei) 了實現緊湊、便攜、節能和高功率的量子級聯激光係統，人們(men) 一直在追求提高壁插頭效率。然而，進展很大程度上是漸進式的，基本的量子設計多年來一直保持不變，牆壁插頭效率尚未達到35%以上。影響量子級聯激光性能的一個(ge) 關(guan) 鍵因素是電子在激光有源區的有效輸運。
高能效量子級聯激光器
量子級聯激光器（qcl）是基於(yu) 半導體(ti) 量子阱的子帶間躍遷。當電子從(cong) 前麵的注入區進入活躍區，在上下激光能級之間經曆輻射躍遷，並隨後被提取到下一個(ge) 下遊注入區時，產(chan) 生光子。電子從(cong) 注入區進入下一個(ge) 活躍區是通過注入地能級和上激光能級之間的共振隧穿發生的。隧穿速率，以及許多其他性能相關(guan) 參數，可以通過量子設計來設計，例如，通過耦合強度的設計，耦合強度被定義(yi) 為(wei) 注入器地麵能級和上激光能級在完全共振時能量分裂的一半。理論分析表明，快速隧穿速率是實現高激光壁塞效率（WPE）的關(guan) 鍵因素。一方麵，隧穿速率越快，所能支持的Max工作電流密度就越高，因此電流效率（即激光器工作在高於(yu) 閾值多遠的地方）也就越高，這是影響WPE的重要因素。另一方麵，更快的隧穿速率也有利於(yu) 提高內(nei) 部效率和增益，因為(wei) 它減少了注入器區域的電子居數，從(cong) 而使從(cong) 注入器地能級到較低激光能級或連續能級的泄漏電流z小化，增加了居數反轉。
圖1
在實際的生長技術中，相鄰的半導體(ti) 層之間的界麵並不是完全光滑的，實際上在幾個(ge)
圖2
采用應變平衡的In0.66Ga0.34As/Al0.69In0.31As材料，通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在InP襯底上生長了QCL結構，該結構由低損耗的InP基波導包層組成，包層位於(yu) 43個(ge) 重複的注入/活性區序列之上。每個(ge) 注入區摻雜片密度為(wei) 1*1011cm-1。采用傳(chuan) 統的III-V型半導體(ti) 加工技術製備了脊寬為(wei) 13.5 ~ 21.5 mm的脊波導激光器。采用等離子體(ti) 增強化學氣相沉積法（PECVD）沉積0.3 mm的SiOx絕緣層，通過電子束蒸發沉積30 nm/300 nm的薄鈦金頂部金屬觸點，然後將襯底減薄至200 mm，並沉積20 nm/200 nm的鍺金底部金屬觸點。直徑為(wei) 190 mm的圓形平台樣品（用於(yu) 電致發光和電子傳(chuan) 輸測量）由相同的晶圓使用類似的技術製造，除了不需要SiOx絕緣層。激光器的腔長從(cong) 0.5到4.0 mm不等，並在銅散熱片的外延側(ce) 安裝。此外，還製作了具有埋置異質結構波導和固定腔長1.9 mm的激光器，在其背麵塗覆高反射率塗層，並將外延麵向上安裝。
圖3
圖2a顯示了台麵樣品在80k和300k下的電致發光光譜。與(yu) 預期相反，本設計中的超強耦合對增益譜寬沒有明顯的負麵影響，如果有的話。輻射躍遷展寬與(yu) z佳可比常規設計相似。在非激光平台樣品上的電子傳(chuan) 輸特性（電流-電壓特性）表征表明，與(yu) 具有相似波長和片狀摻雜密度的典型高性能傳(chuan) 統設計相比，我們(men) 的超強耦合設計在大溫度範圍內(nei) 具有更高的Max工作電流密度和更低的差分電阻（補充圖S1）。代表性激光光譜如圖2b所示；激光波長在低溫下為(wei) 4.5 mm，在室溫下為(wei) 4.7 mm。
圖4
激光表征結果表明，與(yu) 目前報道的在相似波長和工作條件下的z佳qcl相比，該激光器在寬溫度範圍內(nei) 的斜率效率、峰值功率和WPE均有顯著提高。對於(yu) 脈衝(chong) 模式工作（5 kHz重複率，100 ns脈衝(chong) 寬度），性能非常好的激光器之一（13.6 mm寬，2.9 mm長脊）的斜率效率為(wei) 8WA，峰值光輸出功率至少為(wei) 10.0 W（圖3a）， 80 K時的峰值WPE為(wei) 47%（圖3b）。在9 K時，WPE進一步增加到0.48%。如果考慮到從(cong) 電源到激光器測量的0.35 V接線電阻，則激光在9 K時達到50% WPE。即使在200k時，峰值WPE仍然是35%。圖4顯示了所有測試激光器在80k時的峰值WPE散點圖，空腔長度從(cong) 2.3到3.0 mm不等。在此空腔長度範圍內(nei) 的大多數測試器件在80k時的峰值WPE大於(yu) 40%，並且有幾個(ge) 器件的峰值WPE大於(yu) 45%（此圖未對接線電阻進行校正）。與(yu) 報道的z佳結果相比，這些結果有了顯著的改進，並且超過了常規qcl通常預測的WPE極限。從(cong) “1/L”測量中提取出1.5 cm21的低波導損耗，這也有助於(yu) 實現高激光WPE。該設計的兩(liang) 個(ge) 優(you) 勢特點，即大大提高了Max電流密度和相對較高的斜率效率，在高溫下保持不變。從(cong) 9到160 K，斜率效率下降了5%，在160到300 K的溫度範圍內(nei) ，提取的斜率效率特征溫度T1為(wei) 330 K，而在傳(chuan) 統的qcl中，在相同的溫度範圍內(nei) ，T1通常低於(yu) 300 K。從(cong) 閾值電流密度與(yu) 溫度特性中提取出125 K的特征溫度T0。這一低於(yu) 理想值主要是由於(yu) 這種特殊設計的注入器中使用的低雙lo聲子電壓缺陷，這有利於(yu) 低溫操作，限製了激光閾值性能和高溫下的WPE。
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圖5
該激光器還具有在低溫下連續波（c.w.）模式工作的特點。圖3所示激光器在30k和80k時的峰值c.w.功率分別至少為(wei) 6.0 W和4.5 W（圖5a）。在30 K和80 K下，c.w WPE的Max值分別為(wei) 32%和28%（圖5b）。然而，它們(men) 明顯低於(yu) 相同溫度下相應的脈衝(chong) 結果。這在很大程度上是由於(yu) 缺乏有效的散熱機製，因為(wei) 這些激光器不是為(wei) c.w.操作而製造和包裝的。對背麵高反射率塗層埋地異質結構激光器的表征表明，在Max可用輸出功率、Max工作溫度和WPE方麵，激光器的c.w.性能得到了改善（補充圖S3）。
總之，已經通過實驗實現了一種新的QCL設計，該設計使用了注入器和活性區域之間的超強耦合。這種新設計克服了注入器地能級和上激光能級之間的界麵粗糙度引起的共振隧道失諧，更有效地促進了電子在量子級聯中的傳(chuan) 輸，從(cong) 而大大提高了量子級聯的性能，如功率、斜率效率，特別是WPE。實驗證明了前所未有的50% WPE。
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