量子级联激光器调制特性的电路模拟

量子级联激光器(QCL)是波长范围在中远红外的一类新型激光器,到目前为此,对于它的脉冲响应及调制响应等动态特性了解并不是很深入,为此以贝尔实验室在1994年发明的量子级联激光器器件模型为基础,通过分析量子级联激光器中的电子在多量子阱间输运及跃迁的单极行为,得到它的速率方程。以此为基础,通过用电路元素对方程进行改造,建立起其相应的等效电路模型,利用PSPICE电路模拟软件进行模拟仿真,得到了它的调制响应特性,对可能影响其调制特性的一些因素如各阱之间的弛豫时间进行了讨论,并与其它类型激光器作了比较,发现量子级联激光器的动态性能并不优良,而这一点应缘于其独特的激射能级结构。     

基于QCL的红外吸收光谱技术的研究进展

量子级联激光器作为一种新型的单极型半导体激光器,其峰值发射波长处于中红外波段（2.5~25 μm）,具有功率高、线宽窄、响应速率快等传统半导体激光器所没有的独特优势,且具有较高的探测灵敏度,非常适合中红外波段的气体分子的检测。可广泛应用于大气痕量气体、呼吸气体、燃烧气体、生化气体、机动车尾气、工业废气以及农药残留气体等低浓度气体的检测。因此,利用量子级联激光器对气体分子进行探测在非侵入式医学诊断、环境监测以及工农业生产等领域都具有十分重要的意义。自20世纪末量子级联激光器发明以来,室温激光器的性能得到了长足的进步,也出现了多种结构形式的量子级联激光器。这也使得量子级联激光器红外吸收光谱技术得到了很大的发展。事实上,很多光谱技术在量子级联激光器发明之前就已经得到了发展和应用,而利用量子级联激光器作为光源则在很大程度上扩展了可探测波段,也在一定程度上提高了探测极限。这其中就包括了直接吸收光谱技术、波长调制技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术以及光声光谱等。综述了国内外量子级联激光器进行红外吸收光谱技术的研究现状和发展趋势,分析了量子级联激光器红外吸收光谱技术在发展过程中所遇到的瓶颈以及后期得到的解决方案,比较详细地介绍了各种方法的原理、应用,并指出了在吸收光谱测量中的优缺点,同时对外场痕量气体探测作了简要总结。最后,对量子级联激光器红外吸收光谱技术在未来痕量气体探测上的应用和发展进行了展望,指出随着红外吸收光谱技术的快速发展,这些方法可以得到更有效的改进和发展,进而朝着高灵敏度、高集成度以及高时效方向发展。     

基于量子级联激光器的红外光谱技术评述

量子级联激光器是一种新型的红外相干光源。利用量子理论与带隙工程,量子级联激光器可实现3 μm到100 μm波长范围内的任意输出波长。由于大多数气体分子的特征光谱都集中在中红外波段,而中红外量子级联激光器具有功率高、线宽窄、扫描速度快等独特的优点,因此,基于量子级联激光器的红外光谱技术已成为气体检测技术的研究热点。尤其是,近年来室温激光器性能得到不断的完善,输出功率和电光转换效率得到了极大的提高,这在很大程度上推动了红外激光光谱技术的迅速发展。本文根据工作原理,分别介绍了基于直接吸收谱检测、相位调制光谱检测、光声调制光谱检测和法拉第旋光效应光谱检测的量子级联激光器红外光谱检测技术,并对其实现方法和应用情况进行了介绍。     

面向片上传感量子级联激光器的研究进展（特邀）

作为一种新型半导体激光器,量子级联激光器因其独特的子带间跃迁机制,具有高速响应、高非线性、输出波长大范围可调等特点。近年来随着输出光功率和电光转化效率等性能指标的快速提升,量子级联激光器已成为中红外至太赫兹波段（波长约为3～300μm）的主流激光光源,在大气污染监控、气体检测、太赫兹成像、生物医疗以及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。本文阐释了量子级联激光器的发展历程以及工作原理;分别重点讨论了中红外量子级联激光器在高效率、大功率、波长可调谐以及片上传感的应用等方面的研究进展,并对基于中红外量子级联激光器差频太赫兹光源和光频梳的发展进行叙述,最后进行了简要总结与展望。     

太赫兹量子级联激光器频率梳的色散

群速度色散会限制太赫兹量子级联激光器频率梳的稳定以及频谱宽度.对于太赫兹量子级联激光器频率梳,其色散主要由器件增益、波导损耗、材料损耗引起.研究基于4.2 THz量子级联激光器双面金属波导结构,通过建立德鲁德模型,利用有限元法计算了激光器的波导损耗;器件未钳制的增益由费米黄金定则计算得到,结合增益钳制效应,计算了器件子带电子跃迁吸收以及镜面损耗,得到了器件钳制后的增益;利用Kramers-Kronig关系得到了器件的增益、波导损耗、材料损耗引起的色散,结果表明器件的激射区域存在非常严重的色散(–8×10~5—8×10~5 fs~2/mm).同时,计算了一种基于Gires-Tournois干涉仪结构的色散,结果表明,该结构的色散具有周期性,可以用于太赫兹量子级联激光器的色散补偿.     

Si/SiGe量子级联激光器研究进展

Si／SiGe量子级联激光器是一种新型的带内跃迁的红外光源，突破了Si基材料间接带隙特性对光跃迁的限制。Si/SiGe量子级联激光器的开发将为实现太赫兹有源器件的硅基集成产生深远影响。文章介绍了Si/SiGe量子级联激光器的工作原理，以及这类激光器在能带设计、材料生长和波导制作方面的最新进展。     

半导体带间级联激光器研究进展

半导体带间级联量子阱是实现3~5μm波段中红外激光器的重要前沿,其在半导体光电器件技术、气体检测、医学医疗以及自由空间光通信等诸多领域具有重要科学意义和应用价值。半导体带间级联量子阱发光机理是以二类量子阱中的电子与空穴的带间辐射复合发光为主导,再通过电子注入区与空穴注入区形成级联放大,实现多个量子阱周期内电子与空穴的重复利用。本文综述了半导体带间级联激光器从提出能带结构、外延材料到器件制备技术的发展历程,剖析了器件结构各功能区基本概念和工作原理,介绍了器件结构设计与制备工艺技术难点的里程碑突破,详细解释了载流子再平衡、分别限制层等设计,最后展望了半导体带间级联激光器的发展方向和趋势。     

基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置. 关键词： 太赫兹量子阱探测器 太赫兹量子级联激光器 太赫兹通信 Fourier变换红外光谱     

太赫兹量子级联激光器光频梳射频传输

针对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与传输存在的阻抗不匹配问题,设计并提出了一种输入阻抗为20Ω、输出阻抗为50Ω的渐变微带线结构,研究了该结构的准TEM模电场分布,并根据S参数建立了相应的LC等效电路模型分析其物理机理。实验中,将渐变微带线结构应用于太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与测试,以验证渐变微带线传输射频信号效果,成功测量得到太赫兹量子级联激光器重复频率,其线宽为3.7 kHz,信噪比达到60 dB,在注入电流为700～900 mA范围内重复频率表现为稳定的单模信号,测量得到的最大保持和幅度艾伦方差结果同样表现出重复频率的稳定性。实验结果表明,所设计的渐变微带线具有良好的阻抗匹配效果,能够实现对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号稳定的提取和传输。     

2.9THz束缚态向连续态跃迁量子级联激光器研制

采用气源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续 态跃迁的太赫兹量子级联激光器材料, 基于半绝缘等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器. 测量了激光器的发射光谱和功率-电流-电压关系曲线, 研究了器件的激光特性. 器件激射频率约2.95 THz, 脉冲模式下, 最高工作温度为67 K. 连续波模式下, 阈值电流密度最低为230 A/cm², 最大光输出功率1.2 mW, 最高工作温度为30 K. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 波导     

量子级联激光器有源核中界面声子的特性研究

研究了量子级联激光器有源核中界面声子的色散关系和静电势分布. 根据有源核内部的平移不变性导出了界面声子的色散关系. 计算显示有源核中的界面声子可以分为体声子和表面声子模式. 体声子的色散曲线构成一系列准连续的声子子带，其静电势分布于整个有源核并呈现出Bloch波的特征. 表面声子的色散曲线位于各体声子子带的带隙内，其静电势局域在有源核一侧. 这些结果将有助于量子级联激光器和子带跃迁激光器的优化设计.     

太赫兹量子级联激光器研究进展

太赫兹技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料科学以及微加工技术等多个学科，它在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值．太赫兹辐射源是太赫兹频段应用的关键器件．本文简要介绍了太赫兹电磁波的研究背景、重要特点以及潜在应用，重点讨论了太赫兹半导体量子级联激光器的工作原理和研究进展等．     

影响AlGaN/GaN量子级联激光器性能的因素研究

在已有理论基础之上,采用严格的计算方法对激光器实现太赫兹(THz)波的辐射进行了可能性分析。利用传递矩阵法,通过Matlab软件计算了基于AlGaN/GaN材料体系的三能级量子级联激光器导带子能级与电子波函数的分布,详细分析了由该材料特有的极化效应所产生的极化场,得出了在近共振条件下偶极跃迁元、外加电场、垒层Al组分及导带子能级能级差之间的关系,并研究了它们对激光器性能的影响。分析结果表明,实现受激辐射的条件非常严格,Al组分取0.15或0.16时较为适宜,同时外加电场需大于63kV/cm,但不能过大,这样才能满足近共振条件,实现粒子数反转达到太赫兹量子级联激射。在Al组分为0.15,外加电场为69.0kV/cm时激光器的偶极跃迁元最大,表明跃迁几率也最大,对激光器的性能有利,可以为量子级联激光器构造较好的有源区。     

量子线,量子点和它们的激光器

介绍了半导体量子线、量子点的自组织生长法和掩膜表面选择局部生长法，讨论了量子线、量子点激光器的优点以及遇到的问题，指出了大小均匀性是实现量子线、量子点激光器的主要障碍．     

原子光学讲座第二讲量子原子光学

近年来,有关玻色一爱因斯坦凝聚（BEC）及其量子光学性质的理论与实验研究得到了飞速发展,并取得了一系列重大进展,从而形成了一门原子光学的新分支学科——“量子原子光学”．文章重点介绍了量子原子光学的研究内容、实验结果及其最新进展,主要包括BEC实验研究的重大进展、原子量子态的实验制备、原子激光的产生及其最新进展、BEC凝聚体或原子激光的相干性和费米原子气体的量子简并等．     

Nonlinear optics with quantum cascade lasers

We discuss new approaches to monolithic integration of quantum cascade lasers with resonant intersubband nonlinearities. We show that the proposed approaches can greatly enhance the performance of quantum cascade lasers and give rise to new functionalities. Examples considered include extreme frequency up-or down-conversion and wide-range electric tuning.     

Room‐temperature terahertz emission from ZnSe‐based quantum cascade structures: A simulation study

We identified conditions for room‐temperature operation of terahertz quantum cascade lasers (THz QCLs) where variable barrier heights are used on ZnSe/Zn_1–xMg_x Se material systems. The THz QCL devices are based on three‐level two‐well design schemes. The THz QCL lasers with alternating quantum barriers with different heights were compared with THz QCL laser structures with fixed quantum barrier heights. It is found that the THz QCL device with novel design employing variable barrier heights achieved the terahertz emission of about 1.45 THz at room‐temperature (300 K), and has improved laser performance due to the suppression of thermally activated carrier leakage via higher‐energy parasitic levels. Thus, THz QCL devices employing the design with variable barrier heights may lead to future improvements of the operating temperature and performance of THz QCL lasers. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

Multi‐wavelength quantum cascade laser arrays

The progress on multi‐wavelength quantum cascade laser arrays in the mid‐infrared is reviewed, which are a powerful, robust and versatile source for next‐generation spectroscopy and stand‐off detection systems. Various approaches for the array elements are discussed, from conventional distributed‐feedback lasers over master‐oscillator power‐amplifier devices to tapered oscillators, and the performances of the different array types are compared. The challenges associated with reliably achieving single‐mode operation at deterministic wavelengths for each laser element in combination with a uniform distribution of high output power across the array are discussed. An overview of the range of applications benefiting from the quantum cascade laser approach is given. The distinct and crucial advantages of arrays over external cavity quantum cascade lasers as tunable single‐mode sources in the mid‐infrared are discussed. Spectroscopy and hyperspectral imaging demonstrations by quantum cascade laser arrays are reviewed.

     

单量子点微腔激光器的研究

研究一个三能级量子点耦合到单模光学腔组成的系统,该单量子点激光器的泵浦阈值较小,激光能较快地达到稳定输出,当量子点和腔模耦合强度增强时,其泵浦阈值更小,激光达到稳定输出的速度更快。