国内中红外激光气体检测技术的发展

时间: 2020-06-22

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       作为半导体激光技术发展的里程碑,量子 级联激光器(QCL)使中远红外波段高可靠、 高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为 可能,为气体分析等中红外应用提供了新型光 源,因此 QCL 日益受到关注。 

       尤其是近 10 年,越来越多的科研人员开始 研究 QCL 在气体检测方面的应用,使得它的优 势和潜力被更多的认识和挖掘。

中远红外量子级联激光器 (QCL)   

      众所周知,QCL 属于新一代半导体激光器, 它的特性不同于传统半导体激光器。用中科院 半导体所刘峰奇研究员的“两层含义”解释, 应该更加形象。首先是量子含义,是指激光器由纳米级厚 度的半导体异质结超薄层构成,利用量子限制 效应,通过调节每层材料的厚度和子带间距,从而调节波长;其次是级联含义,它的有源区 由多级耦合量子阱串接组成,可实现单电子注 入的倍增光子输出,可望获得大功率,而普通 的半导体激光器是利用电子空穴对的复合发射 光子,这是普通激光器不具备的一个性能。

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    由于 QCL 是集量子工程和先进的分子束外 延技术于一体,技术含量很高,是国家纳米及 量子器件核心技术的真正体现,这方面的技术 突破将激活我国的民用市场。它在空间通信、 远距离探测、大气污染监控、工业烟气分析、 化学过程监测、分子光谱研究、无损伤医学诊 断等方面具有很急迫的应用前景。

QCL 在国内的发展现状   

      自从 1994 年第一台 QCL 发明以后,国际 上各大研究机构开始了该项目的研究,其中具 有代表性的包括美国贝尔实验室、美国哈佛大 学 ( FedericoCapasso 小组 ) 、美国西北大学 (Manijeh Razeghi 小组 ) 、瑞士苏黎世联邦理工 学院 ( Jerome Faist 小组 ) 。   

      当 QCL 的研究发展到了一定阶段,有了实 际的应用空间,便开始了商业化的进程,目前 主要的商业公司包括 Alpes Lasers、DaylightSolutions、Pranalytica 等。 其 中,AlpesLasers 占据全球 85% 的 QCL 市场份额。而 Daylight Solutions 和 Pranalytica 公司 主要研究大功率、连续工作模式、高工作温度 的中红外 QCL 的核心技术,获得了世界上唯一 输出功率为 2 W 的商用中红外 QCL,并且将此 核心技术运用到外腔宽调谐 QCL 中,近年来不 断获得美国军方和美国国防部的资金支持。   

     我国中远红外 QCL 的研究工作几乎和国际 同步,开始于 1995 年,主要的研究小组是中 国科学院上海微系统和信息研究所张永刚、李 爱珍课题组以及中国科学院半导体研究所的刘 峰奇、王占国课题组。后中国科学院上海微系统和信息研究所于 1998 年报道了国内第一个 QCL,并与 2004 年报道了我国第一个中红外分 布反馈 QCL。但是现在在芯片和整机方面工作较为突出 的,是中科院半导体所刘峰奇课题组,已能够 自主生产高性能 QCL,做到室温连续 1.2 W 工 作,波长 4-10 µm,以及太赫兹波段都能覆盖, 在低功耗以及气体探测用的 DFB-QCL 上,优于 国外研究组。



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