福建HerriotQCL激光器

    TDLAS（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy）技术利用可调谐半导体激光器的特性，通过调制激光器的波长，使其扫描被测气体分子的吸收峰，从而实现对气体分子浓度的测量。该技术通过红外吸收来测量激光通过被测气体时被吸收的数量，具有高精度和无接触的特点。调谐半导体吸收光谱（TDLAS）技术是激光吸收光谱（LAS）技术的一种。根据激光器的不同驱动形式，激光吸收光谱（LAS）技术可以分为：直接吸收法和调制吸收法。这两种技术各有优缺点：直接吸收法：需要锁定激光器驱动电流，不需加载2f谐波信号，结构简单，成本低，但容易受干扰，尤其是低频干扰，所以灵敏度相对低些。调制吸收法：需要给到激光器锯齿波驱动电流信号，同时需要加载2f谐波信号到驱动电流上，结构会相对复杂一些，成本要比直接吸收法高一些，但是灵敏度高，能够避开低频干扰。其中又进一步分为波长调制类和频率调制类，波长调制类需要更大的调谐范围，频率调制类需要很高的扫描频率和调制频率，技术复杂，灵敏度更高。 分布式反馈激光二极管（DFB-LD）检测某种气体，该二极管具有特定于该气体的光吸收波长。福建HerriotQCL激光器

    阈值电流密度较低带间跃迁和子带间跃迁示意图常规半导体激光器是双极性器件，导带中的电子与价带中的空穴复合生成光子，而量子级联激光器是单极性器件，只靠导带中子带间电子的跃迁产生光子，如图4所示，电子跃迁的始态与终态的曲线的曲率相同，这样形成的增益谱很窄而且对称，是量子级联激光器能够低阈值工作的一个原因。当然，QCL的阈值电流密度也与有源区设计，材料生长以及器件结构有关。尺寸较小图5量子级联激光器实物图量子级联激光器的尺寸较小，如图5所示，量子级联激光器管芯的长度一般为3mm，随着激光器性能提高，可以将其封装在方盒内，从而方便地移动和操作。量子级联激光器的工作温度、输出性能和波长覆盖范围在过去的20年取得了迅猛发展。其中，有两个里程碑，一个是1997年室温工作的分布反馈量子级联激光器（DFB-QCL）的研制成功，实现了波长为μm和8μm的DFB-QCL的室温工作，其中μm的激光器300K时峰值功率为60mW；另一个是2002年实现了波长为μm量子级联激光器的室温连续工作，器件在292K时输出功率为17mW，比较高连续工作温度为321K。 江西制造QCL激光器供应商可调谐半导体激光器调制光谱技术具有非侵入式原位快速在线测量和遥测等的特有优势。

    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。

    量子级联激光器输出功率较高图3量子级联激光器有源区工作示意图（两个周期）比起中红外波段其它光源，QCL的输出功率较高。不同的激光气体检测应用中会需要不同的功率，故激光器的高功率工作是非常必要的。改变工作电流就可以改变激光器的输出功率，高功率的激光器能够提供的功率范围大，可以满足更多的应用场景。QCL输出功率较高的原因可以归结于其本身的有源区结构设计，其电子利用效率较高。内量子效率是指每秒注入有源区的电子-空穴对数能够产生的光子数多少。图3给出典型的QCL有源区工作示意图，电子流通过一系列的子带和微带，实现子带中的上能级电子的集聚，之后迅速跃迁到下能级并产生光子，之后注入区再重复利用电子流，使之进入下一个循环。理论上一个电子可以产生与有源区级数相同的光子数，从而内量子效率较高，输出的功率也就越大。而常规的半导体激光器中，一个电子在与空穴相遇后辐射出一个光子。可室温工作许多应用中需要激光器能室温工作（室温脉冲或室温连续工作）。器件低温工作时需将激光器放置在液氮制冷的杜瓦中，将增大系统体积，而且不利于激光器的光束整形。而常规半导体激光器中电子和空穴的分布对温度十分敏感，在长波长区域。 TDLAS能实现"原位、连续、实时测量"，环境适应力强，易于设备的小型化。

    带间级联激光器（ICL）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领域具有重要科学意义和应用价值。近年来，半导体带间级联激光器的量子阱能带理论设计方法和激光器制备**技术得到迅速提升。带间级联激光器是一种以Å族体系为主，通过量子工程的能带设计及其材料外延、工艺制作而成的可以工作于中红外波段的激光器。由于结合了传统的量子阱激光器较长的上能级载流子复合寿命，以及量子级联激光器（QCL）通过级联结构实现较高内量子效率的优点，在中红外波段具有较大的优势。研究背景中红外波段包含了许多气体分子的吸收峰，对于气体分子而言，在中红外波段的中心吸收截面一般比其在近红外区的中心吸收截面高几个数量级。因此，为了获得更高的灵敏度和更低的检测限，利用中红外的可调谐半导体激光器吸收光谱技术（TDLAS）可以实现对特殊或有毒气体的检测。常见的位于中红外波段的气体分子如图1所示，诸如矿井气体甲烷（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，氯化氢（HCl）分子吸收峰位于3395nm，溴化氢（HBr）分子吸收峰位于4020nm。 可调谐半导体激光器调制光谱技术和二氧化碳检测技术可以测得二氧化碳气体浓度值。福建HerriotQCL激光器

DFB激光器同时提供对波长的平滑、可调谐控制以及精确光纤通信和光谱应用所需的极窄光谱宽度。福建HerriotQCL激光器

    QCL激光器的基本结构包括FP-QCL、DFB-QCL和ECqcL。增益介质显示为灰色，波长选择机制为蓝色，镀膜面为橙色，输出光束为红色。1.简单的结构是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P结构中，切割面为激光提供反馈，有时也使用介质膜以优化输出。2.第二种结构是在QC芯片上直接刻分布反馈光栅。这种结构（DFB-QCL）可以输出较窄的光谱，但是输出功率却比FP-QCL结构低很多。通过大范围的温度调谐，DFB-QCL还可以提供有限的波长调谐（通过缓慢的温度调谐获得10~20cm-1的调谐范围，或者通过快速注进电流加热调谐获得2~3cm-1的范围）。3.第三种结构是将QC芯片和外腔结合起来，形成ECqcL。这种结构既可以提供窄光谱输出，又可以在QC芯片整个增益带宽上（数百cm-1）提供快调谐（速度超过10ms）。由于ECqcL结构使用低损耗元件，因此它可在便携式电池供电的条件下高效运作。 福建HerriotQCL激光器