光子学报
2023, 52(10): 1052403
1 福州大学 先进制造学院,福建 晋江 362200
2 中国科学院半导体研究所,北京 100083
利用前后向有限差分算法，对锑化物带间级联激光器有源区结构InAs/GaSb/AlSb的电子态进行了理论计算与分析。研究了哈密顿量算符序、有效质量参数修正、内界面态对结构能态及波函数的影响。分析表明，导带有效质量参数取正值可以在两种算符序下有效抑制伪解产生，Burt-Foreman算符序下的跃迁能量更为合理。对于内界面采用缓变假设后，其跃迁能量计算值略高于陡变界面下的计算结果，二者的波函数在界面附近差异不明显。
带间级联激光器 8带包络函数模型 有限差分算法 算符序 界面 inter-band cascade lasers eight band envelope-function model finite difference method operator order interface
1 Laboratory of Solid-State Optoelectronics Information Technology, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing00083, China
2 School of Electrical and Computer Engineering，University of Oklahoma，Norman 73019，USA
3 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering，University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
4 Homer L. Dodge Department of Physics and Astronomy，University of Oklahoma，Norman 73019，USA
通过对两种结构参数与设计偏差较大的带间级联激光器（ICL）的研究，探讨了器件性能在结构变化下的耐受性。在300 K时，即使和4.6 μm的设计波长相比蓝移700 nm以上，激光器仍然性能良好，其阈值电流密度低至320 A/cm2。此研究为带间级联激光器在结构变化方面的耐受性提供了坚实的实验依据。
III-V族半导体 带间级联激光器 中红外 量子阱 II类异质结 III-V semiconductors interband cascade lasers mid-infrared quantum wells type-II heterostructures
上海交通大学 机械与动力工程学院, 上海 200240
基于丙丁烷在3.37μm处的基频吸收峰, 使用相应中心波长的连续带间级联激光器和长光程吸收池, 研制了基于波长调制技术的丙丁烷气体检测系统。为自动确定波长调制过程中的锯齿波中心值参数, 基于电流与输出光频率的线性关系, 通过均匀增加激光器驱动电流获得直接吸收光谱。使用基于洛伦兹线型的拟合算法确定吸收峰值对应电流, 使锯齿波输出光以其为中心覆盖吸收峰。实验证明, 以拟合结果31.94mA为中心值的锯齿波, 在叠加频率为20000Hz、幅值为0.03V的高频正弦调制波后, 系统二次谐波峰值超过100mV。算法全过程不依赖标气和F-P标准具等精密光学器件, 可适应实际生产条件下的系统自动定参。
带间级联激光器 可调谐半导体激光吸收光谱 气雾剂检漏 中红外吸收峰 洛伦兹光谱线型 interband cascade lasers tunable diode laser absorption spectroscopy aerosol leak detection system mid-infrared absorption peak Lorentz profile
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 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
制备并测试了II型中红外带间级联激光器，制备的器件在脉冲和连续工作模式下最高工作温度分别为275 K和226 K.80 K下器件激射波长为3.8 μm左右，阈值电流密度约17 A/cm2.对器件在连续工作模式下的自加热效应进行了分析，并利用有限元方法模拟了器件连续工作时的温度分布图.分析和模拟结果均表明自加热效应是限制器件连续工作温度的重要因素.提高散热性能将是进一步提升器件工作温度的有效手段.
带间级联激光器 中红外 分子束外延 interband cascade lasers mid-infrared rang molecular beam epitaxy(MBE) 红外与毫米波学报
2019, 38(4): 04408
1 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130061
2 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
3 吉林大学电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室, 吉林 长春 130012
4 吉林大学生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。 详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理, 给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。 此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响, 使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。 结合原理框图, 通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案, 描述了自主研制的软、 硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考, 并给出传感器光学配置实物图。 而且, 为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽, 对气压和调制深度进行优化, 研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系, 最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1, 对应的调制信号幅度为~0.026 V。 此外, 基于优化后的气压和调制深度, 使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。 详细介绍了ICL扫描调制信号、 锁相放大及数据采集单元的参数设置, 并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。 通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号, 估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。 最后, 使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试, 并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。 而且, 使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。 结果显示, 该系统工作稳定, 积分时间为4 s时, 乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。 通过增加系统积分时间至63 s, 系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。
乙烷 带间级联激光器 波长调制光谱 多反射气室 Ethane Interband cascade laser Wavelength modulation spectroscopy Multi-pass gas cell
1 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
3~4 μm波段中红外激光器在工业气体检测、医学医疗和自由空间光通信等诸多领域具有十分重要的应用。目前锑化物半导体带间级联激光器是实现中红外3~4 μm波段的理想方案。带间级联激光器(Interband Cascade Laser,ICL)可以看做是通过电子和空穴复合产生光子的传统二极管激光器以及通过引入多个级联区来提高电子注入效率的子带间量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)的融合。文中概要介绍了带间级联激光器的基本工作原理, 阐述了国际上主要研究单位包括俄克拉荷马大学、美国海军实验室、德国伍兹堡大学等带间级联激光器的发展历史, 介绍了国内单位包括中国科学院半导体所研制成功带间级联激光器的性能, 分析了该类激光器设计制备技术难点和及性能进一步提升优化的技术方案。
带间级联激光器 二类W型量子阱 中红外 GaSb基 interband cascade laser type-ⅡW quantum well mid-infrared GaSb-based 红外与激光工程
2018, 47(10): 1003003
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室, 天津 300387
带间级联激光器(ICL)是近年来发展起来的高性能中红外光源, 覆盖中红外3~6 μm谱段。其具有电光效率高、阈值电流低、可室温连续工作等优点, 是痕量气体检测领域最具吸引力的半导体激光器之一。分析了中红外指纹吸收光谱的特征, 简述了带间级联激光器的发展、工作原理和特性, 综述了基于中红外宽带吸收光谱的高灵敏、特异性检测技术的发展, 并对今后发展做了讨论和展望。
光谱学 带间级联激光器 痕量气体检测 中红外谱段 可调谐激光吸收光谱分析 波长调制光谱
吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
甲烷(CH4)是大气环境监测、工业过程控制、煤矿生产安全等多个领域中需重点监测的气体之一, 研制CH4传感器具有广泛的应用价值。利用CH4分子在3.31 μm附近的基频吸收带并选择其在3038.5 cm-1的吸收线作为目标谱线, 研制了一种基于中红外室温、连续、单模带间级联激光器(ICL)的CH4传感器。该传感器采用可调谐激光直接吸收光谱技术以及长光程(54.6 m)吸收光谱技术测定CH4气体浓度。自主研制了高灵敏、低功耗的激光器温度控制器和电流驱动器, 编写了基于LabVIEW的数据产生、采集与处理程序。利用体积分数为2.1×10-6的CH4标准气体和气体稀释系统配备了不同浓度的CH4气体样品, 开展了传感器的性能测试实验。根据传感器标准差的分析结果, 当采样周期为2.5 s时, 传感器的1σ检测下限约为1.1×10-8。利用该传感器对室外大气中CH4浓度进行了连续84 h的监测, 结果证实了所研制CH4传感器的工程实用价值。
传感器 激光光谱学 甲烷传感器 红外吸收光谱 带间级联激光器
