量子级联激光器
量子级联激光器
包括生物医学、国防和传感在内的众多行业都使用可调谐中红外激光器，直到最近，这些激光器还需要一些相当奇特的系统配置。 从历史上看，这些激光器的范围从需要粒子加速器的自由电子激光器到需要振荡器-放大器配置的多级拉曼位移紫翠玉激光器，然后是氘和氢高压气体电池。1,2幸运的是，在过去的 20 多年来，量子级联激光器 (QCL) 技术已经成熟，成为长波长操作的首选激光器。 迄今为止，已证明激光波长短至 2.63μm，标准操作条件下长至 250μm，在磁场辅助下超过 300μm，但大多数商用 QCL 往往在 4-11μm 范围内。3,4,5还应该注意的是，不太流行的 QCL 在太赫兹范围内也有商业供应，最高可达约 150 微米。
图 1：截至 2015 年，展示的 QCL 发射波长/频率与工作温度的关系图6
基本操作原则
基本工作原理 QCL 于 1994 年在新泽西州默里希尔的贝尔实验室首次展示，它是一种半导体激光器，但它的工作原理与传统半导体二极管激光器截然不同。7二极管激光器通过电子-空穴复合实现受激发射 在导带和价带之间。 因此，发射波长取决于特定材料的带隙能量。 例如，GaAs 的带隙能量为 1.43 eV，对应的发射波长为 873nm。 相比之下，GaN 的带隙更大，为 3.39 eV，对应于 366nm 的发射波长。8
虽然可以根据温度和注入电流稍微调整确切的发射波长，但二极管制造商用于改变发射光谱的主要方法是使用三元和四元化合物。 通过改变化合物的化学计量，只要保持晶格匹配，就可以将带隙调整到原始二元化合物带隙之间的任何位置。9另一种不太常见的控制二极管发射波长的方法是通过一种变体 称为量子阱激光器（QWL）。 在这些器件中，一个薄层 (< 100Å) 的低带隙材料（称为“阱”）生长在两个较高带隙材料（称为“势垒”或“包层”）之间。10,11QWL 主要用于 它们的阈值电流较低，但是由于阱的尺寸极小，量子效应接管，导致发射波长随阱厚度而变化。12
在 QCL 中，通过利用数十甚至数百个量子阱将发射波长与带隙能量完全解耦，这些量子效应被发挥到了**。 去耦是由导带中子带的形成引起的，允许受激发射在导带本身内发生，这被称为子带间跃迁。13在这种情况下，受激发射不会导致电子-空穴复合，而是 导带内的电子。图 2显示了带间（传导至价）和子带间（传导至传导）跃迁的简化比较。 当与从阱到阱的倾斜电位偏置相结合时，单个电子可以级联穿过量子阱结构并发射多个光子，如下图 3所示。 因此，QCL 可以通过量子效应和级联效应的结合产生长波长的高功率。
图 2：量子阱激光器中 (a) 带间和 (b) 子带间跃迁的比较。
图 3：由于偏置量子阱以及 QCL 内的子带间跃迁导致的级联效应示意图。
基本材料结构
在 QCL 中，发生受激发射（子带间跃迁）的区域称为有源区。电子从一个有源区的低能级隧穿到下一个有源区的高能级的区域称为注入区。需要注意的是，与上面图 3 所示的简化示意图不同，有源区和注入区均由多个量子阱构成。多量子阱的使用使能带结构工程不仅可以控制有源区的发射波长，还可以控制注入区的电子隧穿能量。9还应该注意的是，在文献中，QCL 经常分为两类：超晶格QCLs和量子阱QCLs。这两类之间的主要区别在于，当量子阱足够薄时，它们不再形成离散的能级，而是模糊化以创建小能带。14这种命名约定可能有点误导，因为在这两种情况下，材料结构都是如前所述，基于大量的工业量子阱。此外，在所有现代 QCL（超晶格和量子阱）中，注入器区域使用单个微型带来控制电子隧穿能量，使其与后续有源区域的上子带对齐。15下面的图 4 显示了比较的示意图超晶格和量子阱结构。从该图中可以清楚地看出，两种激光器结构之间的主要区别在于，量子阱 QCL 作为4级激光器发挥作用，而超晶格 QCL 的作用更像是3级激光器。9
图 4：量子阱（顶部）和超晶格（底部）QCL 的示意图，说明了它们各自的 4 级和 3 级泵浦方案。
光谱特性
QCL 非常适合长波长操作，因为导带中合成能级之间的能量差远小于带隙能量。 这也是它们目前不在较短波长下工作的原因。 超晶格 QCL 的微带结构固有的宽增益带提供了很大的灵活性，因为在长波长下，能量的微小变化会导致波长的显着变化。 有了对 QCL 基本工作原理的理解，现在可以更深入地研究当今市场上 QCL 的光谱特性。
与大多数激光系统不同，温度调谐是与分子振动带（玻尔兹曼分布）相关的能级变化的结果，QCL 通过物理膨胀和收缩进行调谐。随着 QCL 的温度升高或降低，它会引起量子阱厚度的轻微变化，从而导致子带和小带能级的变化。如果不对激光温度和注入电流进行非常严格的控制，这可能会导致光谱不稳定和多纵模。对于稍后将讨论的某些高功率应用，这可能是可以接受的，但对于光谱应用，则不然。因此，就像许多具有宽增益带的传统二极管激光器一样，光栅可以兼具波长稳定性和可调谐性。事实上，到 1997 年，也就是**个 QCL 展示后不到三年，贝尔实验室的团队制造了最早的分布式反馈 (DFB) QCL。16与任何其他 DFB 激光器一样，DFB-QCL 使用布拉格光栅，该光栅被蚀刻到半导体作为波长选择器件。然后可以对这些设备进行温度调节，同时保持单波长操作。虽然紧凑实用，但 DFB-QCL 的整体可调范围通常限制在 10-20 cm-1.17
对于更大的调谐范围，外腔 (EC) 设计要有效得多。 在 EC-QCL 中，半导体的正面被涂层以显着降低反射率，从而提高增益阈值。 接下来，光栅用作输出耦合器，导致增益阈值的波长选择性降低，因此将激光限制在单一频率。 通过调整光栅，通常是通过旋转，EC-QCL 可以在 QCL 的整个增益带上进行波长调整，这已被证明可提供超过 400 cm-1 的可调范围。18应该注意的是，虽然 DFB -QCL 需要单空间模式 (TEM00) 操作，EC-QCL 不需要，这可以允许更高功率操作。 只要 EC-QCL 不是用单空间模式 QCL 构建的，它就永远不能被认为是单频的，它只是波长稳定的。
常见应用
通过对与 QCL 相关的基本功能和光谱特性的了解，现在可以理解为什么它们已成为许多应用程序的宝贵工具。 尽管多年来使用 QCL 的应用不计其数，但 QCL 最受关注的三个应用是吸收光谱、痕量气体检测和红外对抗。 因此，本文的其余部分将重点介绍如何在这三个应用程序空间中的每一个中使用 QCL。
吸收光谱
在 QCL 的三个主要应用中，在许多方面吸收光谱是最多产的。由于分子结构允许的振动和旋转模式，所有共价键结合的材料在红外光谱中都具有独特的吸收光谱。9由于没有两种材料具有相同的分子结构，与每个键相关的各种吸收带形成独特的光谱，称为分子指纹。传统上，红外吸收是使用傅里叶变换红外 (FT-IR) 光谱仪测量的。这些设备由一个宽带红外光源（称为球棒）和一个扫描干涉仪组成，该干涉仪使用稳定的氦氖激光器进行内部校准。 QCL 通过从设置中完全移除干涉仪并用可调谐 QCL 代替红外光源，大大简化了系统。因此，QCL 现在被广泛用于化学分析和化学成像，因为它们可以显着降低系统的成本和复杂性。同样重要的是，吸收光谱也可以在太赫兹区域进行，在该区域很容易获得 QCL。
痕量气体检测
虽然从技术上讲是吸收光谱的一个子集，但痕量气体检测已经成熟为自己的分类。这不仅是因为气体分析物的红外吸收，而且因为大气传输带在中红外也很好排列，如图 5 所示。图 5 还突出显示了几种市售的可调范围DFB-QCLs.19 有多种测量方法可用于红外中的痕量气体检测，但目前使用的主要技术是可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS)。在 TDLAS 中，激光在分析物的红外吸收光谱中的一条线上快速调谐，以绘制横截面的强度和形状。通过在吸收带上扫描单频激光源，可以表征振动带的整个线形函数，从而可以计算出精确的分子浓度。尽管首字母缩略词 TDLAS 包括二极管一词，但由于必要的波长和调谐范围，QCL 更常用于这些应用。此外，应该注意的是，虽然这些气体中的许多在紫外和可见光中也有相应的电子吸收带，但这些波长的瑞利散射使它们不太可能用于遥感应用。
图 5：大气透射光谱，以及几个 DFB-QCL 在临界气体吸收带的调谐范围。19
红外对抗
自从热寻导弹技术问世以来，工程师们一直在开发旨在使红外制导传感器迷失方向的对抗措施。最初由飞行员在受到攻击时可以部署的照明弹组成，该技术迅速演变成可重复使用的热源，类似于现代 FT-IR 光谱仪中使用的球棒。除了可重复使用之外，这些设备还有一个额外的好处，那就是它们可以在整个任务期间保持活跃。 1997 年，在 QCL 发明后不久，美国海军为已知最早的激光红外对抗措施之一申请了专利。 20 该专利明确指出，激光器中两种激光器的**波长应在 ~4μm 和 ~5μm对应于现代红外制导传感器的工作波长。所有的寻热导弹都在这个范围内运行，因为它们对应于大气窗口，如图 5 所示，它们也足够短，可以避免地面黑体辐射的干扰（大约 10 微米），同时也足够长，可以防止太阳辐射的干扰近红外线。由于 QCL 是该地区**真正轻便、高效和紧凑的激光源，因此它们已成为红外对抗的首选激光器。与需要单频 QCL 的前两种应用不同，红外对抗采用高功率多模 QCL。
总结
在接下来的二十年里，毫无疑问，随着技术的成熟和成本的不断下降，QCL 将继续变得更加普遍。 随着这项技术变得越来越流行，科学家和工程师将继续开发新的和令人兴奋的应用。我们致力于为客户提供最高质量的红外光学器件，以帮助促进这些进步。 例如，我们提供一系列锗非球面透镜，设计工作范围为 3μm 至 50μm，以及一整套离轴抛物面和椭球面镜。