帶間級(jí)聯(lián)激光器（ICL）是實(shí)現(xiàn)3～5μm波段中紅外激光器的重要前沿,，其在半導(dǎo)體光電器件技術(shù),、氣體檢測(cè)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療以及自由空間光通信等領(lǐng)域具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值,。近年來(lái),，半導(dǎo)體帶間級(jí)聯(lián)激光器的量子阱能帶理論設(shè)計(jì)方法和激光器制備**技術(shù)得到迅速提升。帶間級(jí)聯(lián)激光器是一種以?族體系為主,，通過(guò)量子工程的能帶設(shè)計(jì)及其材料外延,、工藝制作而成的可以工作于中紅外波段的激光器。由于結(jié)合了傳統(tǒng)的量子阱激光器較長(zhǎng)的上能級(jí)載流子復(fù)合壽命,，以及量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）通過(guò)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較高內(nèi)量子效率的優(yōu)點(diǎn),，在中紅外波段具有較大的優(yōu)勢(shì)。研究背景中紅外波段包含了許多氣體分子的吸收峰,，對(duì)于氣體分子而言,，在中紅外波段的中心吸收截面一般比其在近紅外區(qū)的中心吸收截面高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,，為了獲得更高的靈敏度和更低的檢測(cè)限,，利用中紅外的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)（TDLAS）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊或有毒氣體的檢測(cè)。常見(jiàn)的位于中紅外波段的氣體分子如圖1所示,，諸如礦井氣體甲烷（CH4）分子吸收峰位于3260nm,，一氧化碳（CO）分子吸收峰位于4610nm，二氧化碳（CO2）分子吸收峰位于4230nm,，氯化氫（HCl）分子吸收峰位于3395nm,，溴化氫（HBr）分子吸收峰位于4020nm。 在工業(yè)污染分析中,，QCL的快速響應(yīng)和高靈敏度使其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)煙塵顆粒的組成和濃度,。上海COQCL激光器

    閾值電流密度較低帶間躍遷和子帶間躍遷示意圖常規(guī)半導(dǎo)體激光器是雙極性器件，導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合生成光子,，而量子級(jí)聯(lián)激光器是單極性器件,，只靠導(dǎo)帶中子帶間電子的躍遷產(chǎn)生光子，如圖4所示,，電子躍遷的始態(tài)與終態(tài)的曲線的曲率相同,，這樣形成的增益譜很窄而且對(duì)稱(chēng)，是量子級(jí)聯(lián)激光器能夠低閾值工作的一個(gè)原因,。當(dāng)然,，QCL的閾值電流密度也與有源區(qū)設(shè)計(jì)，材料生長(zhǎng)以及器件結(jié)構(gòu)有關(guān),。尺寸較小圖5量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)物圖量子級(jí)聯(lián)激光器的尺寸較小,，如圖5所示，量子級(jí)聯(lián)激光器管芯的長(zhǎng)度一般為3mm,，隨著激光器性能提高,，可以將其封裝在方盒內(nèi)，從而方便地移動(dòng)和操作,。量子級(jí)聯(lián)激光器的工作溫度,、輸出性能和波長(zhǎng)覆蓋范圍在過(guò)去的20年取得了迅猛發(fā)展。其中,，有兩個(gè)里程碑,，一個(gè)是1997年室溫工作的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器（DFB-QCL）的研制成功，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為μm和8μm的DFB-QCL的室溫工作,，其中μm的激光器300K時(shí)峰值功率為60mW,；另一個(gè)是2002年實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為μm量子級(jí)聯(lián)激光器的室溫連續(xù)工作,，器件在292K時(shí)輸出功率為17mW，比較高連續(xù)工作溫度為321K,。 上海COQCL激光器利用多種形式的光譜學(xué)測(cè)量手段,，開(kāi)展地面探測(cè)、地基探測(cè),、機(jī)載探測(cè)和星載探測(cè)四種典型光學(xué)觀測(cè).

    大氣中CO2,、CH4、N2O三大溫室氣體的特征吸收光譜主要位于近紅外和中紅外光波段,，其中近紅外波段波長(zhǎng)在－μm范圍,，對(duì)應(yīng)于氣體分子的“泛頻”吸收譜帶，而中紅外波段波長(zhǎng)位于－25μm范圍,，對(duì)應(yīng)于氣體分子的“基頻”吸收譜帶,，吸收強(qiáng)度要明顯高于近紅外波段，適用于濃度痕量氣體分子的高靈敏檢測(cè),。針對(duì)目前溫室氣體多目標(biāo)場(chǎng)景監(jiān)測(cè)需求,，研究人員開(kāi)展了不同形式的探測(cè)方法研究，主要包括地面探測(cè),、地基探測(cè),、機(jī)載探測(cè)和星載探測(cè)，綜合運(yùn)用各種吸收光譜技術(shù)和儀器,，通過(guò)掃描獲取溫室氣體紅外波段的特征吸收光譜,，經(jīng)過(guò)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、光譜信號(hào)采集,、濃度算法解析,、軟件數(shù)據(jù)處理等技術(shù)過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體多組分高靈敏時(shí)空分辨觀測(cè),。

    紅外激光光譜學(xué)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)以及在許多領(lǐng)域有著潛在的重要應(yīng)用價(jià)值,，是近年來(lái)非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。主要的應(yīng)用有：(1)高選擇性,，高分辨率的光譜技術(shù),，由于分子光譜的“指紋”特征，它不受其它氣體的干擾,。這一特性與其它方法相比有明顯的優(yōu)勢(shì),。(2)它是一種對(duì)所有在紅外有吸收的活躍分子都有效的通用技術(shù)，同樣的儀器可以方便的改成測(cè)量其它組分的儀器,，只需要改變激光器和標(biāo)準(zhǔn)氣,。由于這個(gè)特點(diǎn)，很容易就能將其改成同時(shí)測(cè)量多組分的儀器,。(3)它具有速度快,，靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),。在不失靈敏度的情況下，其時(shí)間分辨率可以在ms量級(jí),。應(yīng)用該技術(shù)的主要領(lǐng)域有：分子光譜研究,、工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)控制、燃燒過(guò)程診斷分析,、發(fā)動(dòng)機(jī)效率和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣測(cè)量、檢測(cè),、大氣中痕量污染氣體監(jiān)測(cè)等,。因此，可調(diào)諧紅外激光光譜新方法及其環(huán)境污染時(shí)空分布監(jiān)測(cè)研究對(duì)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展和解決環(huán)境領(lǐng)域中必不可少的監(jiān)測(cè)分析新方法與新技術(shù)有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值,。應(yīng)用該技術(shù)的主要領(lǐng)域有：1,、分子光譜研究：光譜結(jié)構(gòu)、線寬,、線強(qiáng)等,；2、大氣痕量氣體檢測(cè)：CH2O,、CH4,、CO2、NH3等,；3,、工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)控制：CO、CO2,、H2O,、NH3等；4,、醫(yī)療診斷：NO,、CO、CO2,、CH4等,；5、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣測(cè)量：CO,、CO2,、NH3、NO等,。 DFB激光器同時(shí)提供對(duì)波長(zhǎng)的平滑,、可調(diào)諧控制以及精確光纖通信和光譜應(yīng)用所需的極窄光譜寬度。

    QCL激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL,、DFB-QCL和ECqcL,。增益介質(zhì)顯示為灰色,，波長(zhǎng)選擇機(jī)制為藍(lán)色，鍍膜面為橙色,，輸出光束為紅色,。1.簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P結(jié)構(gòu)中,，切割面為激光提供反饋,，有時(shí)也使用介質(zhì)膜以?xún)?yōu)化輸出。2.第二種結(jié)構(gòu)是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵,。這種結(jié)構(gòu)（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜,，但是輸出功率卻比FP-QCL結(jié)構(gòu)低很多。通過(guò)大范圍的溫度調(diào)諧,，DFB-QCL還可以提供有限的波長(zhǎng)調(diào)諧（通過(guò)緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍,，或者通過(guò)快速注進(jìn)電流加熱調(diào)諧獲得2~3cm-1的范圍）。3.第三種結(jié)構(gòu)是將QC芯片和外腔結(jié)合起來(lái),，形成ECqcL,。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過(guò)10ms）,。由于ECqcL結(jié)構(gòu)使用低損耗元件,，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運(yùn)作。 TDLAS：當(dāng)激光波長(zhǎng)與待測(cè)氣體分子的吸收線匹配時(shí),，分子會(huì)吸收部分能量,，透射光強(qiáng)度的變化，計(jì)算氣體濃度,。遼寧HerriotQCL激光器加工

分布式反饋激光二極管（DFB-LD）檢測(cè)某種氣體,，該二極管具有特定于該氣體的光吸收波長(zhǎng)。上海COQCL激光器

    TDLAS能實(shí)現(xiàn)"原位,、連續(xù),、實(shí)時(shí)測(cè)量"，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng),，易于設(shè)備的小型化,。因此可以掙脫實(shí)驗(yàn)室的束縛，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中大展拳腳,。比如大氣環(huán)境在線監(jiān)測(cè),、發(fā)動(dòng)機(jī)效率檢測(cè)、汽車(chē)尾氣測(cè)量,、工業(yè)過(guò)程氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等等,。TDLAS利用半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧特性，可獲得被選定的待測(cè)氣體特征吸收峰的吸收光譜，從而對(duì)氣體定性或者定量的分析,。每種氣體分子的吸收峰受其他氣體吸收干擾很小,，所以也稱(chēng)之為"分子的指紋峰"TDLAS技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是這些氣體"分子指紋"的識(shí)別系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的選擇性,。此外,，TDLAS的檢測(cè)靈敏度也是較高的，不過(guò)檢出限能達(dá)到怎樣的量級(jí),，就和所用光源有著很大的關(guān)系,。常見(jiàn)的污染氣體的"指紋峰"主要集中在4μm-10μm，基本是中紅外的天下,，所以,，作為中紅外激光光源的QCL，則可展現(xiàn)性能優(yōu)勢(shì),。再加之高輸出功率，檢出限可達(dá)到ppb,，甚至ppt級(jí)別,。這比傳統(tǒng)的近紅外光源所能達(dá)到的水平，整整高出了3~6個(gè)量級(jí),。 上海COQCL激光器

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