安徽氨QCL激光器封装

    中远红外波段包含了两个重要的大气窗口3-5μm和8-13μm波段，很多气体的特征吸收峰都在这个波段，如NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等，还有一些人体疾病如糖尿病、、胸、肺、精神疾病等特征气体的吸收谱线也处于此波段，如图4。不同气体的特征吸收峰基于QCL的检测系统，具有体积小、检测速度快、精确度高等特点，可以广泛的应用在环境检测、痕量气体检测、医疗诊断等方面，基于QCL的气体检测系统是QCL重要的应用之一，如气体检测系统如图5。相比于传统的气体检测技术（电化学检测、气相色谱分析、红外LED），量子级联激光器在气体检测的优势如下：1、量子级联激光器具有很窄的光谱线宽，可以获得气体分子、原子光谱线中精细结构，因此基于量子级联激光器的气体检测系统分辨率要远高于其他光谱检测方法，而且系统中不需要分光器件，可以通过调谐QCL的波长，就可在光电探测器中直接得到其吸收光谱。2、QCL的光束质量好，其出射光的发散角小，可以利用光的反射来设计光学长程池从而增加系统的吸收光程，进而就可以提高系统的灵敏度，这对于低浓度的气体检测十分有效。 可调谐激光器以其独特的波长可调谐特性，成为了现代激光科技的重要支柱。安徽氨QCL激光器封装

    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。 河南二氧化碳QCL激光器封装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。

    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。

    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。 QCL由二次谐波从而对污染气体进行定性或者定量分析，具有高分辨率、高灵敏度以及响应时间快等特点。

    在环境污染分子的监测分析中，典型的应用有、、。近红外光谱的一个优点是压力加宽不是一个很大的问题，因此可以在近大气压或开放光程工作。缺点是有许多分子在该谱区没有吸收，虽然在测量复杂混合物时，这也许是一个优点。中红外波段工作在3－13μm的“指纹”区，是气体分子基带吸收。这个波段分子吸收线的强度比近红外波段要大几个量级。如：CH4在，理论检测下限可达；CO在，理论检测可达。通常分子在这个波段的振动和转动光谱谱线非常丰富密集，典型的光谱线宽约为2×10－3cm－1（~60MHz）。中红外波段激光光谱技术目前主要受到激光光源的限制，但近几年来，随着红外激光技术的发展和新型中红外相干光源技术的发展，在中红外波段进***体分子的超高灵敏检测技术有了长足的进步。 QCL的光束质量好，可以利用光的反射来设计光学长程池从而增加系统的吸收光程，提高系统的灵敏度。青海氨QCL激光器加工

TDLAS技术采用的半导体激光光源的光谱，宽度远小于气体吸收谱线的展宽，得到单线吸收光谱。安徽氨QCL激光器封装

    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。 安徽氨QCL激光器封装