量子級(jí)聯(lián)激光器

1整理課件1.量子級(jí)聯(lián)激光器概述2.量子級(jí)聯(lián)激光器根本結(jié)構(gòu)與工作原理3.量子級(jí)聯(lián)激光器材料研發(fā)4.量子級(jí)聯(lián)激光器相關(guān)應(yīng)用5.量子級(jí)聯(lián)激光器存在問(wèn)題及解決方法6.量子級(jí)聯(lián)激光器未來(lái)展望2整理課件普通半導(dǎo)體激光器由于受到化學(xué)結(jié)構(gòu)的制約，使其大約以相當(dāng)于導(dǎo)帶價(jià)帶差的能量向外輻射光，因此不能發(fā)射中遠(yuǎn)紅外范圍的光。而于1994年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的以GaInAs/AlInAs作為量子阱材料的量子級(jí)聯(lián)激光器(QuantumCascadeLaserQCL)由于其在中紅外光方面的表現(xiàn)而開(kāi)創(chuàng)了具有根底性、戰(zhàn)略性、前瞻性的半導(dǎo)體激光前沿領(lǐng)域。3整理課件

量子級(jí)聯(lián)激光器是一種多層的量子阱結(jié)構(gòu)，每一層結(jié)構(gòu)包括一個(gè)注入?yún)^(qū)和一個(gè)激發(fā)區(qū)，其中激發(fā)區(qū)為三個(gè)耦合量子阱。這種激光器的光子產(chǎn)生依賴于電子能級(jí)在耦合量子阱中的臺(tái)階分布。當(dāng)電子從一個(gè)高能級(jí)量子阱躍遷入另一個(gè)低能級(jí)量子阱中時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)光子。從發(fā)光機(jī)理上看，這是一種新型激光器，因?yàn)槠洳⒉幌衿胀す舛O管那樣依賴電子與空穴的符合產(chǎn)生光子。4整理課件5整理課件子級(jí)量子阱三個(gè)量子阱注入?yún)^(qū)激發(fā)區(qū)注入?yún)^(qū)的作用是冷卻上一個(gè)激發(fā)區(qū)被加速了的電子6整理課件與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器不同，量子級(jí)聯(lián)激光器是一種單極型激光器，只依賴一種載流子。在有外加電場(chǎng)的情況下，利用電子量子隧穿通過(guò)由一組耦合量子阱構(gòu)成的注入?yún)^(qū)，到達(dá)由另一組耦合量子阱構(gòu)成的有源區(qū)，導(dǎo)帶激發(fā)態(tài)子能級(jí)電子共振躍遷到基態(tài)釋放能量，發(fā)射光子并隧穿到下一級(jí)，成為下一級(jí)相似結(jié)構(gòu)的注入電子。7整理課件

如上圖所示，活潑區(qū)能帶呈現(xiàn)階梯狀。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在n=3和n=2激發(fā)態(tài)間形成。8整理課件9整理課件主要應(yīng)用方向痕量氣體檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域大氣通信應(yīng)用領(lǐng)域非侵入式醫(yī)學(xué)診斷與紅外成像領(lǐng)域10整理課件主要問(wèn)題之一：電子在穿越不同量子阱界面時(shí)。QCL性能受到量子阱界面缺陷、粗糙散射影響，同時(shí)由于處于不同量子阱，導(dǎo)致產(chǎn)生躍遷的上下能級(jí)波函數(shù)疊加較少，降低了受激躍遷的幾率。主要解決方法：采用垂直躍遷有源區(qū)結(jié)構(gòu)11整理課件耦合三量子阱垂直躍遷有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：受激輻射躍遷過(guò)程的上下能級(jí)在同一個(gè)量子阱中，使得電子的躍遷幾率得到了提高，從而使QCL獲得更大的增益。12整理課件１９９７年貝爾實(shí)驗(yàn)室提出超晶格有源區(qū)結(jié)構(gòu),電子在超晶格形成的微帶中輻射躍遷產(chǎn)生，利用電子在微帶內(nèi)的快速弛豫實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。與量子阱有源區(qū)比較，超晶格有源區(qū)可承受更大的驅(qū)動(dòng)電流，從而可獲得大的輸出光功率；２００１年Ｆａｉｓｔ小組分析了量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)具有高注入效率的優(yōu)勢(shì)，但電子隧穿時(shí)間長(zhǎng)、排空速度慢，而超晶格有源區(qū)結(jié)構(gòu)那么具有微帶排空時(shí)間極快的優(yōu)勢(shì)，提出了由束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷的新思路。13整理課件QCL器件供作有源區(qū)由數(shù)百層納米外延層組成量子阱界面面功率較高器件有源區(qū)熱損耗較大器件工作效率較低主要