1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京理工大学学精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学信息光子技术工业和信息化部重点实验室，北京 100081
4 中国电子科技集团第十一研究所，北京 100015
长波红外量子级联激光器（QCL）具有波长设计灵活、体积小、寿命长等优点。目前单横模QCL较低的输出功率（1~3 W）是限制其应用的主要因素。光纤功率合束技术是提升输出功率的有效手段。然而由于长波红外波段缺少低传输损耗的玻璃光纤，使得高效率长波红外光纤功率合束的实现难度很大。本文研究了基于低损耗单模空芯光纤的长波红外激光功率合束技术。针对基横模长波红外QCL有源区尺寸大、发散角大的特点，设计了大数值孔径扩展光源双非球面准直镜，有效提高了单模光纤耦合效率。设计制备了无端面损耗的长波红外单模光纤束，光纤传输效率高达91.2%，实现了7.6~7.8 μm波段QCL的高效率合束。当4个长波红外QCL的输出总功率为2.27 W时，采用所设计的光纤耦合光学系统及制备的4×1单模空芯光纤合束器获得了1.5 W的连续输出，总合束效率为66%。此外，测量得到单根单模长波红外光纤耦合输出光的光束质量因子M2为1.2，光强分布和光束质量因子均优于QCL的直接输出激光，说明空芯单模光纤具有一定的非高斯光束模式净化作用。合束光束的传输质量因子为2.6，依然具有较好的光束质量。本文所研究的光纤合束方式对QCL的输出波长、偏振态均不敏感，且具有良好的可扩展性。实验结果表明，此方式可有效解决长波红外QCL单元器件输出功率偏低的问题。
长波红外 量子级联激光器 光纤合束 耦合效率 空芯光纤
1 西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西西安70054
2 陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西西安710054
3 中石化安全工程研究院有限公司 化学品安全全国重点实验室，山东青岛266000
H2S，CH4多组分气体浓度测量技术的研究对石油石化行业的安全生产有重要意义。基于中红外TDLAS技术， 选用中心波长为8.309 μm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)为检测光源，搭建30 m长距离的遥测实验系统，使用WMS波长调制法对H2S，CH4气体的吸收谱线进行连续调谐与扫描，并对高频正弦载波进行了最优深化调制，实现了H2S，CH4多组分气体的同时测量。实验将H2S与5%体积分数的高浓度水汽进行混合测量，分析并验证了该波段的水汽吸收难以对测量造成交叉干扰的优良特性，并利用Savitzky-Golay平滑滤波器提高了检测信号的信噪比。通过遥测实验，分析了15 m，30 m不同遥测距离对检测信号的影响，并利用增加积分时间与计算信噪比的方法，得到了128.75×10-9 m的遥测最低限。最后，Allan方差的计算结果表明，当积分时间为183 s，142 s时，系统对H2S，CH4气体的最低检测下限分别为0.593×10-9和1.160×10-9。本文的研究结果为中红外波段H2S，CH4多组分气体的高灵敏度、同时测量提供了一种有效途径，为多组分气体的遥测应用提供了参考。
中红外 硫化氢 量子级联激光器 多组分气体遥测 mid-infrared hydrogen sulfide Quantum Cascade Laser(QCL) multi-component gas sensing
中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室，上海 200050
太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器都是基于子带间电子跃迁的半导体器件，具有体积小、频率可调、响应速度快等优点。其工作波长位于微波波长和红外波长之间，其光谱涵盖了众多气体分子、化合物以及凝聚态物质的频谱特征，在天文观测、公共安全、生物医药等领域中有重大应用前景。近年来，太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的性能有了显著提高，其应用也受到关注。回顾了太赫兹量子级联激光器和量子阱探测器的发展历程，简述了其工作原理和器件结构，介绍了器件性能在工作温度、光谱范围等方面的最新进展及其在高分辨光谱、太赫兹成像、无线宽带通信等方面的应用，并在此基础上分析了目前存在的问题和研究热点，对其未来发展进行了展望。
光学器件 太赫兹技术 量子级联激光器 量子阱探测器
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Beijing100083, China
2 Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Beijing100083, China
3 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Sharing the advantages of high optical power, high efficiency and design flexibility in a compact size, quantum cascade lasers (QCLs) are excellent mid-to-far infrared laser sources for gas sensing, infrared spectroscopic, medical diagnosis, and defense applications. Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) is an important technology for growing high quality semiconductor materials, and has achieved great success in the semiconductor industry due to its advantages of high efficiency, short maintenance cycles, and high stability and repeatability. The utilization of MOCVD for the growth of QCL materials holds a significant meaning for promoting the large batch production and industrial application of QCL devices. This review summarizes the recent progress of QCLs grown by MOCVD. Material quality and the structure design together determine the device performance. Research progress on the performance improvement of MOCVD-grown QCLs based on the optimization of material quality and active region structure are mainly reviewed.
quantum cascade lasers continuous wave high optical power metal organic chemical vapor deposition broad gain Journal of Semiconductors
2023, 44(12): 121901
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。
量子级联激光器 中红外 频率锁定 比例、 积分、 微分控制 波长调制技术 Quantum cascade laser Mid-infrared Frequency locking Proportional integral derivative control Wavelength modulation 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2363
1 合肥学院先进制造工程学院, 安徽 合肥 230601 Laboratoire de Physico-Chimie de l’Atmosphère, Université du Littoral Cte d’Opale, Dunkerque, 59140, France
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
3 肥学院先进制造工程学院, 安徽 合肥 230601
4 Laboratoire de Physico-Chimie de l’Atmosphère, Université du Littoral Cte d’Opale, Dunkerque, 59140, France
具有高灵敏度、 高光谱分辨率的中红外激光外差光谱气体探测, 是以窄线宽激光器作为本地振荡器, 通过放大入射的微弱吸收信号, 实现大气痕量气体柱浓度和垂直浓度廓线的遥感探测技术。 基于当前的激光外差辐射计, 提出了一种新型的仪器结构。 引入直接吸收光谱系统实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 采用紧凑型红外黑体源EMIRS200作为宽带辐射光源, 替代太阳光, 进行激光外差系统的验证分析。 为激光外差辐射计的下一步系统集成提供了新方法。 研制了中红外宽调谐激光外差辐射计概念验证系统, 对系统基本参数进行了测试分析。 该系统采用8 μm外腔量子级联激光器(EC-QCL)作为本地振荡光源, 红外黑体源EMIRS200作为辐射光源。 通过对该系统基本参数的测试数据分析, 获得了系统信噪比(~120)和外差转换效率(~0.006)参数。 利用艾伦方差分析确定了EC-QCL的稳定时间至少达到了133 s, 因此非常适合于激光外差光谱的采集。 得到直接吸收光谱系统的1σ最小体积分数探测限为2.312×10-8, 能够满足大气甲烷高灵敏检测需求, 同时实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 最后利用已建立的激光外差辐射计概念验证系统获取了甲烷中红外8 μm处高分辨激光外差吸收光谱, 并与甲烷在8 μm波段附近的直接吸收光谱进行了光谱比对。 最后拟合了系统光谱分辨率参数, 验证了该概念验证系统的高光谱分辨率, 能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。 实验结果表明, 激光外差系统中引入直接吸收光谱系统可以实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 紧凑型红外黑体源EMIRS200可以用于激光外差辐射计的结构优化, 实现激光外差系统的分析验证, 为进一步应用于测量实际大气中多组分气体的光谱提供了实验基础并拓展激光外差辐射计在高精度遥感探测领域的应用。
大气遥感 外腔量子级联激光器 中红外 激光外差 Atmospheric remote sensing External cavity quantum cascade laser Mid-infrared Laser heterodyne 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1739
强激光与粒子束
2023, 35(12): 121003
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。
半导体激光器 量子级联 太赫兹 分布式布拉格反射镜 单模 光子禁带 semiconductor lasers quantum cascade terahertz distributed Bragg reflector single mode photonic band gap 
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
This paper describes a promising route for the exploration and development of 3.0 THz sensing and imaging with FET-based power detectors in a standard 65 nm CMOS process. Based on th plasma-wave theory proposed by Dyakonov and Shur, we designed high-responsivity and low-noise multiple detectors for monitoring a pulse-mode 3.0 THz quantum cascade laser (QCL). Furthermore, we present a fully integrated high-speed 32 × 32-pixel 3.0 THz CMOS image sensor (CIS). The full CIS measures 2.81 × 5.39 mm2 and achieves a 423 V/W responsivity (Rv) and a 5.3 nW integral noise equivalent power (NEP) at room temperature. In experiments, we demonstrate a testing speed reaching 319 fps under continuous-wave (CW) illumination of a 3.0 THz QCL. The results indicate that our terahertz CIS has excellent potential in cost-effective and commercial THz imaging and material detection.
power detectors quantum cascade laser (QCL) CMOS image sensor (CIS) terahertz Journal of Semiconductors
2023, 44(10): 102401
