量子级联激光器输出特性研究及器件应用

• 作 者: 刘万峰
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 量子级联激光器 痕量气体检测 输出特性 中远红外波段 光声效应

量子级联激光器(Quantum cascade laser，QCL)是一种新型半导体激光器，是满足人们对中远红外波段需求的理想光源，在痕量气体检测、环境监控、红外对抗、空间通讯、医学诊断等方面有巨大的应用价值。本文系统研究并改善了本实验室研制的量子级联激光器输出特性，成功将器件应用在气体检测系统中。主要研究成果如下：　　
(1)通过对量子级联激光器输出特性的系统研究，掌握了QCL输出功率改变和中心波长随时间的变化规律。同时，结合热传导定律和实际器件结构建立了电热耦合理论模型，此模型可计算量子级联激光器的瞬态温度分布；再结合斜率效率假设，此模型计算QCL的输出特性规律与实验结果吻合得很好。　　
(2)为满足应用对器件功率、稳定性的要求，对现有QCL工艺流程进行改进，引入侧壁氧化、非注入腔面、精确控制电镀铟层厚度等方法成功提高倒焊器件的成品率，改进后的器件在散热能力和转换效率方面有很大进步。与普通F-P腔正焊器件相比，改进后的器件连续工作温度提高了34 K。同时，对大量测试过程中失效的器件进行分析，结果表明激光器接近端面处温度最高，为器件易失效部位。　　
(3)为满足应用对QCL高光束质量的要求，利用前后腔面镀高反膜的方法对边发射量子级联激光器的远场进行改善，成功地将主要激射模式从TM02横模调节到TM00横模，便于激光器输出功率的汇聚。　　
(4)搭建了基于光声效应的气体检测系统，以7.38μm的量子级联激光器为光源，对SO2气体进行检测，研究了激光器工作条件(脉宽、功率)对探测极限的影响，对SO2的探测极限为167 ppb(十亿分之一)。对信号采集模块进行改善，提出利用电脑声卡实现多种气体同时检测的方法，以7.38和4.72μm量子级联激光器为光源，对SO2和CO混合气体进行了低浓度检测，验证了多种气体同时检测理论的正确性。