国产QCL激光器

    红外光谱检测方法主要有使用宽带光源的傅里叶变换红外光谱（FTIR）和非分散红外光谱（NDIR）技术，以及红外激光光谱技术。与使用宽带光源的FTIR和NDIR相比，红外激光光谱由于采用高单色性的红外激光作为光源，具有更高的光谱分辨率，不需要使用额外的分光部件，易于实现仪器的小型化。另外，高功率密度激光光源更方便实现长光程检测。红外激光光谱学依据波段分为近红外光谱和中红外光谱。近红外波段工作在－μm的近红外区，相应于某些分子的“泛频”谱带。分子在这些谱带的吸收系数比中红外的基频吸收要弱得多，一般要低2－3数量级。尽管如此，由III－V族化合物制成的半导体激光由于在通信和电子工业元件方面的广泛应用，其价格相对便宜，质量、性能和输出功率都相当优越，且在接近室温工作，使其在一些浓度较高或对灵敏度要求较低的污染源排放的气体监测中得到了很好的应用，足以达到ppm的检测水平，甚至到达ppb的水平，接近中红外光谱系统检测灵敏度的1－10％。 可调谐激光器的广波长调谐能力和高精度控制特性，使其在多个领域具有巨大的应用潜力。国产QCL激光器

    量子级联激光器是基于多个量子阱异质结中掩埋次能级跃迁的单极半导体注入激光器，它们是通过能带工程并通过分子束外延生长方法得到的。QCL激光器的输出波长依赖于量子阱和作用区掩埋层的厚度而不是激光材料的能级。由于QCL输出波长不受带隙宽度的限制，因而能够被制成在中红外波长区较宽范围里输出。QCL的输出波长区可以从µm到60µm，激光输出功率可以达到几个mW。QCL在脉冲工作方式下可以工作在室温下，并且已经被用于痕量气体的光谱检测，但由于脉冲激光固有特点使其线宽相对较宽。虽然单模连续输出DFB－QCL已早有报道，但到目前为止，还没有痕量气体检测的报道。鉴于目前中红外光谱区传统激光技术存在的需要低温制冷等限制，利用技术成熟的近红外激光光源的参量频率转换实现室温下连续波中红外相干光源输出是一个有效的补充。在中红外光谱相干光输出的参量过程主要有光参量振荡（OPO）和差频变换（DFG）。 国产QCL激光器TDLAS：当激光波长与待测气体分子的吸收线匹配时，分子会吸收部分能量，透射光强度的变化，计算气体浓度。

    可调谐半导体激光吸收光谱（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy）技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。TDLAS通常是用单一窄带的激光频率扫描一条**的气体吸收线。为了实现比较高的选择性，分析一般在低压下进行，这时吸收线不会因为压力而加宽。这种测量方法是Hinkley和Reid提出的，现在已经发展成为了非常灵敏和常用的大气中痕量气体的监测技术。具有高灵敏度、实时、动态、多组分同时测量的优点。由于半导体激光器的高单色性，可以利用待测气体分子的一条孤立的吸收谱线进行测量，避免了不同分子光谱的交叉干扰，从而准确的鉴别出待测气体。可调谐红外激光光谱技术独特的优势以及在许多领域有着潜在的重要应用价值，是近年来非常热门的研究领域之一。可调谐半导体激光器，目前常用于TDLAS技术的可调谐半导体激光器包括：法珀（Fabry-Perot）激光器、分布反馈式(DistributedFeedback)半导体激光器、分布布喇格反射（DistributedBraggreflector）激光器、垂直腔表面发射（Vertical-cavitysurface-emitting）激光器和外腔调谐半导体激光器。

    2002年之后，带间级联激光器在美国喷气推进实验室（JPL）取得了更加快速的发展，在低阈值电流、高工作温度以及长波长等方向上都取得了瞩目的成果。其中**重要的是2005年，研究人员制作出的单纵模分布反馈式激光器（DFB）可以实现甲烷气体的检测。并于2007年交付美国国家航空航天局（NASA）的好奇号进行火星的甲烷探测。2008年，美国海军实验室（NRL）经过多年优化和发展，终于实现了里程碑式的***台室温连续激射的带间级联激光器，连续波**高工作温度可达319K，激射波长为μm。2011年，美国海军实验室在材料设计的基础上，又进一步提出了“载流子再平衡”的概念，解决了有源区中电子和空穴的数量不均等问题，通过改变电子注入区中的掺杂浓度，平衡有源区中过高的空穴浓度。之后，德国伍兹堡大学在“载流子再平衡”的基础上，提出了短注入区的设计。2014年，美国海军实验室通过增加有源级联区的周期数及分别限制层的厚度，进一步提高了带间级联激光器的器件指标，其室温连续输出功率达592mW，输出特性以及输出波长如图3和4所示。这也是目前带间级联激光器输出功率的**高指标，并在2015年成功制作级联数为10的带间级联激光器。 0.76~25μm 为近红外，25~30μm 为中红外，30~1000 μm为远红外。

    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。 利用多种形式的光谱学测量手段，开展地面探测、地基探测、机载探测和星载探测四种典型光学观测.广西气体检测QCL激光器

光谱技术在气体检测领域有着广泛的应用，其中OF-CEAS、CRDS和TDLAS是三种主要技术。国产QCL激光器

    QCL激光器的基本结构包括FP-QCL（上图）、DFB-QCL（中图）和ECqcL（下图）。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。 国产QCL激光器

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