在量子級聯激光器 qcl中，在腔長從(cong) 0.5到3mm的變化中觀察到光譜發射波數的係統移位，導致增益峰移位範圍從(cong) 2404到2286 cm−1。因此，提供了118 cm−1的波長選擇範圍，該範圍足夠寬，可以在2326 cm−1 4.3u m處選擇整個(ge) CO2吸收帶的激光發射。與(yu) 目前的QCL波長選擇技術相比，修改空腔長度是一個(ge) 簡單的後處理過程。實驗證實，這種頻移是由於(yu) 閾值電壓和外加電場隨腔長而變化，這與(yu) 理論一致。
基於(yu) 腔長的量子級聯激光器波長選擇
有意選擇量子級聯激光器QCL發射頻率的能力對於(yu) 精確重疊分析物振動-旋轉吸收帶與(yu) 激光發射具有重要意義(yi) ，從(cong) 而為(wei) 痕量氣體(ti) 和液體(ti) 化學傳(chuan) 感器提供固有的分子選擇性和增強的靈敏度。目前選擇QCL發射頻率的方法包括使用外腔，在一個(ge) 芯片上單片製造具有各種發射頻率的單模激光器陣列，或使用低溫恒溫器或直流激光注入電流調節散熱片溫度。外腔可調諧QCLs通過改變外部衍射光柵的角度，通過頻率選擇性反饋產(chan) 生單模發射，從(cong) 而在寬光譜範圍內(nei) 連續調諧雖然zui近已經證明了超過250 cm−1的調諧範圍，但增益光譜根本不調諧，或者以比光學調諧小得多的速率調諧，因此導致從(cong) 中心發射的藍移和紅移的輸出功率降低。雖然可以通過溫度調諧來實現增益頻譜的移位，但這並不廣泛適用於(yu) 室溫操作的係統；因此，需要其他策略來調整增益頻譜。
本研究描述了調整QCL腔長以調諧增益譜。空腔長度是一個(ge) 簡單的後處理選擇參數，因此非常適合於(yu) 方便地調整QCL增益譜和選擇峰值增益波長。對於(yu) 這裏提出的QCL，波長選擇範圍足夠寬，可以跨越二氧化碳的整個(ge) 振動-旋轉吸收特征CO2。設計的量子級聯激光器的中心發射頻率為(wei) 2326 cm−1 4.3um。相應的頻帶圖如圖1 A所示。活躍區和注入器一個(ge) 周期的層序為(wei) 26/17/22/18/19/19/18/21/17/21/15/27/15/38/11/13/36/14/ 34/14/30/22，其中Al0.65In0.35As阻擋層以粗體(ti) 標示，Ga0.32In0.68As井層以楷體(ti) 標示，n摻雜2.11017 cm−3層以下劃線標示。我們(men) 計算了該結構的傳(chuan) 導能帶能量圖，作為(wei) 施加電場從(cong) 87到116 kV/cm的函數，得到預期的過渡頻率範圍從(cong) 2137到2583 cm−1，如圖1b所示。計算由於(yu) “對角線”躍遷設計固有的線性斯塔克效應，頻率隨著外加電場的增加而增加偶極矩陣元表示光躍遷的強度，在103 kV/cm指定電場附近達到Max值，與(yu) 防交叉場重合。由於(yu) 發射頻率取決(jue) 於(yu) 工作閾值電壓，激光閾值電壓的變化可以實現增益譜的調諧。前者可以通過改變閾值電流密度來實現，而閾值電流密度又可以通過改變腔長來非常有效地改變。
圖1
為(wei) 了分析空腔長度的影響，使用金剛石刀和顯微對照將qcl切割為(wei) 0.5至3 mm的長度，增量為(wei) 0.5 mm。激光脊寬為(wei) 4.6 ~ 6.1 um。然後用銦將每個(ge) 激光器安裝在銅塊上，銅塊既是散熱片又是電接地，然後用金線連接起來，使用頻率為(wei) 80khz、脈寬為(wei) 100ns的脈衝(chong) 發生器以脈衝(chong) 模式操作qcl。對每個(ge) QCL施加偏置並獨立測量，同時使用電流探頭測量電流。散熱器溫度在80到300 K之間變化。然後使用液氮冷卻的汞鎘碲化探測器和傅裏葉變換紅外FTIR光譜儀(yi) 獲得光譜，光譜分辨率為(wei) 0.125 cm−1，平均掃描10次。圖2a描述了FTIR測量的峰值發射光譜作為(wei) 波數與(yu) 散熱器溫度的關(guan) 係，範圍從(cong) 80到300 K，不同的腔長。發射頻率從(cong) 2404 cm−1降低到2286 cm−1，即降低了118 cm−1，空腔長度從(cong) 0.5 mm增加到3mm。二氧化碳CO2 FTIR吸收光譜如圖2A所示。顯然，在不同溫度下，腔長為(wei) 1.5、2和3 mm的qcl與(yu) 強振動旋轉吸收帶直接重疊。同樣，可以使用不同的空腔長度來故意重疊或避免與(yu) 選定的CO2特征重疊，如圖2 b。結果表明，在恒定的散熱器溫度下，腔長度在1-2 mm範圍內(nei) ，跨越整個(ge) 吸收光譜。因此，提供了一種方便的後處理策略，用於(yu) 定製共振和非共振qcl，從(cong) 而差分測量直接產(chan) 生分析物濃度的定量測定。圖2c描述了在散熱器溫度範圍內(nei) 發射頻率與(yu) 腔長之間的關(guan) 係。該圖中的數據進一步闡明了使用不同空腔長度範圍係統地選擇發射頻率的能力。
圖2
圖2中長度為(wei) 0.5、1和1.5 mm的激光器沒有完全激光到室溫，這是由於(yu) 由鏡麵損耗決(jue) 定的更高閾值電流密度超過了由摻雜密度決(jue) 定的Max可用電流密度。為(wei) 了克服這一限製，也為(wei) 了在更高的工作溫度下將發射頻率轉移到直接重疊二氧化碳吸收特征，我們(men) 用高反射HR塗層製備了圖3所示的1和1.5 mm激光器。應該注意的是，HR塗層激光器改變了反射鏡損失，而這些損失與(yu) 該長度的標準激光器的預期不同，從(cong) 而導致波長的移位。然而，在本文給出的結果中，腔長度對閾值電壓的依賴性仍然很明顯，這反過來又導致了發射波數的相應移位。
溫度依賴性光電流-電壓L-I-V測量采用100 ns電流脈衝(chong) ，以3 kHz的重複率精確確定閾值電壓和閾值電流密度。圖3a表示閾值電壓與(yu) 波數之間的關(guan) 係。由圖可知，閾值電壓和光譜發射隨空腔長度的減小而增大。這些實驗結果證實了圖1b中提供的計算結果，表明隨著外加電場的增加，光譜發射能量增加。然而，應該指出的是，使用全態（見圖1a）計算qcl中的斯塔克效應通常高估了斯塔克位移，參考文獻12也討論了這一點。
圖3
圖3b顯示了閾值電壓對1,1.5和2mm腔長度在散熱器溫度範圍從(cong) 80到180 K的依賴關(guan) 係。在該圖中，進一步表明，較短的空腔長度具有較高的閾值電壓比較長的腔長，由於(yu) 其更高的閾值電流密度。圖3b 插圖用L-I-V圖量化了這一趨勢，其中測量的閾值電壓為(wei) 16.2和14.9 V，閾值電流密度分別為(wei) 1和2 mm腔長4.17和1.39 kA/cm2。閾值電壓差作為(wei) 空腔長度的函數計算為(wei) 1.35 V。因此，閾值電壓隨著空腔長度的減小而增加，從(cong) 而由於(yu) 電場的增加而導致更高的光譜發射頻率
總之，這種廉價(jia) 且簡單的QCL波長選擇技術利用了電場和光譜發射對腔長度的依賴，這被認為(wei) 是一個(ge) 簡單的後處理設備參數。因此，可以簡單地對相同晶圓和相同芯片進行切割以產(chan) 生具有高特異性和可重複性的所需發射頻率。改變腔長從(cong) 0.5到3mm提供了118 cm−1的寬選擇範圍，這是足夠寬的，以定製在4.3um下的整個(ge) CO2振動旋轉吸收帶的開啟和關(guan) 閉共振，而無需溫度調諧。因此，所提出的策略對於(yu) 化學傳(chuan) 感器国产成人在线观看免费网站中激光發射頻率的定製顯得特別有用。
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