ALPES LASERS各种类型的QCL介绍和量子级联激光器工作原理

本文围绕Alpes laser生产的标准QCL，包含量子级联激光器的类型、量子级联激光器工作原理以及应用领域来进行ALPES QCL量子级联激光器简介。

ALPES LASERS生产多种类型的量子级联激光器 (QCL)：单模分布式反馈 (DFB) 或多模法布里-珀罗 (FP)，可在两种模式下运行：连续波 (CW) 或脉冲。本文主要从类型、量子级联激光器工作原理以及应用领域来进行量子级联激光器简介。

一、QCL简介之工作原理

量子级联激光器（QCL）是一种单极激光器，可在4至20微米的中红外线范围内发光。这种激光器是由生长在 InP 上的InGaAs和AlInAs组成，提供增益和法布里-珀罗（Fabry-Pérot）腔，以建立激光振荡。ALPES激光器生产两种类型的QCL：

（一）QCL简介的参数和性能包括：

所有ALPES QCL都经过全面测试和鉴定。测试结果在 ALPES LASERS 网站上的数据表中报告。每台 QCL 在交付时都附有数据表，其中包含单模和多模发射、IV 曲线、发射功率、发射时间和发射功率等数据。发射、IV 曲线、发射功率、最大工作电流和工作温度等数据。

（二）QCL的几何结构

图1显示了 ALPES QCL 生长过程和安装在 NS子安装架上的激光芯片。按照惯例，激光器的垂直轴平行于生长方向，光束偏振（即电场）也平行于生长方向。NS子安装螺孔轴线。发射轴垂直于生长方向垂直于生长方向和NS底座的边缘。

图1：ALPES QCL 生长（左）和安装在子安装架上的激光芯片（右）。

如图2所示，激光芯片焊接在一个铜底座上，并通过金键与两个氮化铝陶瓷垫粘合在一起，这两个陶瓷垫也安装在同一个铜底座上。陶瓷垫的表面覆盖着一层金色，其侧面则呈现出陶瓷的白色。金色表面必须朝上。从顶部观察LLH，发射方向左侧的焊盘上标有DN表示向下，而右边的焊盘UP表示向上。根据数据表的规定，只有一个焊盘具有特性。如果只有一个焊盘，则默认位于DN位置。

图2：ALPES QCL NS子安装示意图（左）和图片（右）

（三）极性

默认情况下，激光器为负极性：阴极与陶瓷垫相连，阳极与底座铜板相连。激光器可以接线柱朝下安装；这在激光器包装盒上有明确标示。在这种情况下，激光器的极性为正：阴极连接到次级安装铜板上，阳极连接到陶瓷垫上。

二、量子级联激光器的类型

（一）分布式反馈（DFB）

分布式反馈（DFB）QCL 能够产生波长非常精确的光束。在有源区上蚀刻光栅，以强制激光器在光栅周期性给出的特定波长上工作。这些激光器的可调范围高达 10 cm-1，最大发射功率从 1 mW 到 > 100 mW。

（二）法布里-珀罗（FP）

法布里-珀罗（FP）QCL 能够产生更高的功率，但通常是多模的。它们的发射波长范围很广，可覆盖中心发射波长的 10% 以上。FP QCL 非常适合液体光谱和高功率发射源等应用，这些应用可以接受宽带发射，而且不要求信号纯度。高功率 FP 激光器的平均功率可达 1.5 W。

（三）宽增益 (BG)

宽增益 (BG) QCL 由 FP 激光器组成，设计用于获得最大宽度的增益曲线。它们可用作光谱学或成像的宽光谱照明器。与抗反射涂层相结合，它们适合用于外部腔体，以获得具有宽调谐范围的可调谐激光器。

（四）太赫兹 FP

THz FP QCL的波长可达 70 到 200 µm，但必须在低温条件下运行。

三、ALPES量子级联激光器简介

Alpes laser是唯一一家开发和生产此类商用中红外激光器的激光器制造商。

（一）扩展调谐 DFB 光源（QC-ET）

ALPES LASERS 的这一产品能够以较低的热量达到较宽的波长范围。在散热器温度固定的情况下，可达到很宽的波长范围，速度可达千赫兹，而不是通过TEC和子支架改变散热器温度所需的几秒钟。QC-ET带有一个10µm电阻器，直接耦合到激光器的有源区。因此，它是通过两个而不是一个电流输入来控制的。

（二）QC-XT 激光源

ALPES LASERS 的这款产品可以在固定的散热器温度下达到更宽的波长范围。这种 ALPES LASERS 产品可通过局部改变激光器的光栅，在固定的散热器温度下达到更宽的波长范围。QC-XT的前端和后端具有不同的光栅和独立的电流输入；当前端和后端刻痕对齐时，激光就会发射，从而以极快的速度从一个波长跳到另一个波长。

（三）频率梳量子级联激光器（FCQCL）

该产品专为专家用户设计，适用于液体光谱等应用，在这些应用中，信号变化的时间可能比扫描许多波长所需的典型 10 毫秒要短得多。FCQCL不需要扫描波长，可在1毫秒内记录整个信号，并通过傅立叶变换后提取信号。

四、应用领域

（一）红外

ALPES 激光器 QCL 可满足3至15µm波长区域的气体传感和光谱应用需求；大多数化合物的基本振动模式都在中红外波段。更具体地说，在大约3-5µm和8-12µm两个所谓的大气窗口中，大气的透明度很高，可以进行遥感和探测。长波长大大减少了灰尘和雨滴的瑞利散射，可应用于雷达、测距、防碰撞系统、隐蔽电信等领域。例如，波长从1µm到10µm的瑞利散射降低了104倍。应用实例如下：

-工业过程监控：半导体制造生产线中的污染、食品加工、酿造、燃烧诊断

-生命科学和医疗应用

-医疗诊断、生物污染物。

-执法

-毒品或爆炸物检测。

-军事

-化学/生物制剂检测

-反措施

-秘密电信。

（二）太赫兹

太赫兹辐射是一种安全的非电离辐射。它是中红外线和微波之间的桥梁，可以穿透大多数非导电材料，并且可应用范围广泛，包括：

-含水量绘图

-组织密度绘图

-金属探测

-光谱识别

太赫兹QCL 的工作频率范围为1至6太赫兹。相干偏振太赫兹辐射是通过半导体异质结构导带内电子的直接受激光学跃迁产生的。太赫兹激光器需要低温冷却，但温度要高于77K（液氮沸点），因此在冷却设备方面对其操作没有限制。ALPES LASERS THz QCL 可作为载波芯片（CoC）使用，也可随时安装在变温恒温器中。ALPES LASERS 提供三种低温系统解决方案：

-LN2 杜瓦

-低温恒温器

-独立式