量子級聯激光器（qcl）被認為(wei) 是中遠紅外（IR）波長範圍內(nei) 靈活、強大的光源之一，涵蓋了與(yu) 紅外国产成人在线观看免费网站相關(guan) 的大多數關(guan) 鍵光譜區域。QC激光器基於(yu) 帶隙工程的突破性概念，由Capasso1和他的同事Faist等人在貝爾實驗室開發，並基於(yu) Kazarinov和Suris在1971年的早期工作。這一創新導致了光學材料的“設計”，通過仔細定製半導體(ti) 多層導帶中的子帶間躍遷，為(wei) 半導體(ti) 激光器進入以前無法進入的電磁波譜中紅外波長範圍鋪平了道路。
量子級聯激光器：長波紅外（λ>6 μm）的設計
qcl今天能夠在λ = 3-24 μm範圍內(nei) 發光，並且z近已經引入到太赫茲(zi) 域，可能導致光電集成的新水平由於(yu) 有可能利用為(wei) 電信/數據通信組件市場開發的已經成熟的InP和GaAs技術，qcl已經顯示出令人印象深刻的快速技術發展。自1994年成立以來，2QC激光器僅(jin) 在幾年後就實現了室溫（RT）脈衝(chong) 操作，並在2008年實現了連續（CW） RT操作。由於(yu) 不斷推動這項技術的工業(ye) 化，由Cho首創的分子束外延（MBE）進行的初始材料開發工作近年來已擴展到更標準的工業(ye) 平台，用於(yu) 材料生長，金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）mocvd生長的QC激光器已經迅速達到了與(yu) mbegrow設備相當的RT性能，並且在RT後不久就顯示出連續運行MOCVD生長的qcl在中波紅外（MWIR）13和長波紅外（LWIR）波長下的高功率連續工作已經被證明。
盡管qcl具有巨大的前景，但直到z近，複雜的結構和製造qcl的困難使這些設備僅(jin) 僅(jin) 是實驗室工具。z近的進展主要是為(wei) 了提高MWIR的電光轉換效率，這極大地促進了技術從(cong) 實驗室到工業(ye) 的轉移。我們(men) 團隊的研究成果在功率輸出和插拔效率方麵取得了飛躍，z終可以實現這些設備的現場部署。目前，qcl能夠在單發射器的MWIR範圍內(nei) 提供瓦級輸出功率，其壁插效率超過10%，並且正在迅速接近lwir的可比工作特性。
圖1
光譜的長波-紅外區域通常定義(yi) 為(wei) 延伸到第二個(ge) 大氣透射窗口（即λ = 8-12 μm）。對於(yu) LWIR中的波長，由於(yu) 與(yu) 自由電子相關(guan) 的吸收損失增加，波長較長導致的光約束較弱，以及由於(yu) 製造具有較厚波導和光學塗層的器件而遇到的困難，因此出現了一些工程挑戰。隨著所設計器件的波長向LWIR窗口的遠紅外端移動，所有這些因素都會(hui) 導致器件性能逐漸惡化。圖1實際說明了這一概念，顯示了AdTech製造的激光器的典型輸出功率分布作為(wei) 設計波長的函數，其中長波輸出功率從(cong) λ ~ 7 μm處的總功率P = 1 W逐漸下降到11.5 μm及以上波長的P = 10-100 mW範圍。激光性能的一個(ge) 基本貢獻是當然給出了活動區域的設計。作為(wei) 對圖1-3的評論，在以下段落中，對主動設計對激光性能的影響進行了一定程度的討論。作為(wei) 一般指導原則，在接下來的討論和圖1的說明中，我們(men) 隻考慮經過優(you) 化並證明在其波長範圍內(nei) 表現出色的設計。這些是基於(yu) 幾個(ge) 概念的設計，這些概念在qcl發明後的15年左右時間裏得到了驗證和發展。因此，這裏介紹的器件是集成了許多關(guan) 鍵元素的結果，這些元素在激光的帶結構和波導中已經被理解了很長一段時間。關(guan) 於(yu) 這個(ge) 主題的廣泛討論超出了本文的範圍。
圖2
在較短的光譜端（MWIR, λ = 3-5 μm），性能下降主要是由於(yu) 缺乏與(yu) 激光發射所需的躍遷能量增加相關(guan) 的電子量子約束。在光譜的較長波長的一邊，性能下降與(yu) 更複雜的因素組合有關(guan) 。LWIR波長下光發射減弱的主要原因包括自由載流子和子帶間吸收導致的光損耗增加，以及材料中波長增加導致的光約束減少。事實上，根據αel ~ λn，自由電子吸收隨波長的增加而增加，其中功率依賴性在n = 2 ~ 3範圍內(nei) ，而隨著躍遷能量的降低，子帶間吸收變得更強，這是由於(yu) 活性材料注入/弛豫區低能態之間的躍遷所需的動量交換比高能躍遷更小。對於(yu) 光約束，如果考慮有效折射率近似為(wei) n = 3.2的材料中的波長，則λ = 4.5 μm和λ = 10 μm的自由空間激光波長分別可以估計出λ/n = 1.4和3.1 μm。由於(yu) 器件的幾何形狀以及製造和設計的限製，典型的主動導芯厚度在DAR = 1.5 ~ 2.5 μm範圍內(nei) 。因此，λMWIR/n < DAR < λLWIR/n，我們(men) 可以預期，雖然MWIR激光器將具有較高的約束因子，通常在85%範圍內(nei) ，但LWIR激光器將無法達到類似的重疊因子，通常在60-70%範圍內(nei) 。圖2說明了這一概念，繪製了光模式約束作為(wei) 波長的函數，對於(yu) 具有相似波導參數的MWIR和LWIR激光器。
圖3
LWIR激光器的優(you) 點之一是能夠充分利用晶格匹配和應變補償(chang) InGaAs/InAlAs材料的帶隙偏移，而MWIR激光器需要高應變生長以改善電子約束，從(cong) 而提高電流注入效率。這種MWIR設計方法的缺點是需要高偏置電壓，這反過來又有助於(yu) 產(chan) 生更大的熱功率。LWIR範圍內(nei) 的典型工作電壓（7-10 V）明顯低於(yu) MWIR範圍（10-15 V），從(cong) 而使国产成人在线观看免费网站工程更具容忍度。
LWIR激光器的典型能帶結構如圖3所示與(yu) InP匹配的InGaAs/InAlAs晶格的帶偏移估計為(wei) βECB = 0.52 eV，激光發射波長為(wei) λ = 9.1 μm（對應βEL = 0.136 eV）。考慮到激光頂部水平應在遠離傳(chuan) 導帶連續體(ti) (例如,至少βEConf = 0.1 eV低於(yu) 樂(le) 隊抵消),為(wei) 了Max化粒子數反轉,並考慮噴射器基態的能量抵消由於(yu) 量子限製注入勢壘(βEINJ≈0.1 eV),剩下的能量範圍的注射器miniband,負責激光損耗越低,歐洲央行是β−EL−ββEConf−βEINJ≈0.18 eV。這是在適當的範圍內(nei) ，以防止由於(yu) 光學聲子重吸收，電子從(cong) 注入/弛豫區的準費米能級返回到RT下的激光紫外光。很明顯，對於(yu) 波長較短的激光器，晶格匹配材料越來越難以滿足這一條件，除了降低注入效率外，還會(hui) 顯著導致RT下的性能下降。事實上，第1個(ge) 展示連續RT操作的工作激光器如圖3所示。因此，應變補償(chang) 激光材料優(you) 先用於(yu) MWIR波長激光器，盡管由於(yu) 材料的生長能力，應變量是有限的。高應變材料可以帶來更大的帶偏移，但在導帶中向側(ce) 穀的散射可以為(wei) 非輻射躍遷過程增加通道，並且其對激光操作性能的影響目前尚未完全了解。
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