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量子级联介质与外腔激光器结构的结合，实现了近红外量子级联激光输出，它具有窄带、超宽带单模调谐、高功率和优异的光束质量等特点，非常适合于现场应用。
Eric Takeuchi, Kyle Thomas, Timothy Day
量子级联（QC）材料在性能和制造水平方面所取得的非凡进步，已经促使人们开发这项技术在中红外领域的广泛应用。与此同时，在微型外腔激光器（ECL）的设计和制造方面，也涌现出了大量的创新行为。通过将QC增益介质集成到ECL结构中、以形成外腔量子级联激光器（ECqcL），业界正在实现着这些技术的巨大价值。目前，外腔量子级联激光器将有望更高的功率、更高的效率和更大的调谐范围。
从字面上看，将QC和ECL组合成ECqcL似乎仅仅是二者的简单结合，但事实远非如此。需要着重指出的是，在外腔结构中，QC材料只是作为增益介质，在其周围可以制造外腔。这种方法上的改变，获得了QC技术所能提供的所有优点。
QC技术的到来
以前，研究人员最初在实验室里使用QC技术探测和显示中红外波长的光。然而在过去的几年里，QC增益介质的外延生长技术的发展，使得这项技术从研究所和大学实验室中走向了商业化。在很多情况下，晶圆制造商们都利用自身在III -V族半导体材料（例如砷化镓和磷化铟）方面的生产经验、工艺和能力来获得性能优良的高品质QC芯片。目前，量子级联晶圆可以使用业界首选的金属化学气相沉积（MOCVD）技术来生长，与分子束外延（MBE）方法相比，MOCVD技术具有很多优势。[1]比如，更快的生长速度能够快速发展批量生产过程，显著提高产量并降低成本。
同样，QC增益介质的性能也取得了长足进步。目前已经报道的单一QC激光器里的超宽带增益范围是5～8µm（750个波数）。[2]通过完整的波导和热理论模型，为连续光工作而优化的QC结构可输出高功率；高效率FP腔激光器（简单的切割面）在室温下单面的输出光功率已经超过1.3W。[3],[4]
由于最近QC芯片制造技术的成熟发展，现在已经可以制造各种类型的激光器（见图1）。
（图片）
图1：QC激光器的基本结构包括FP-QCL（上图）、DFB-QCL（中图）和ECqcL（下图）。增益介质显示为灰色，波长选择机制为蓝色，镀膜面为橙色，输出光束为红色。 最简单的结构是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P结构中，切割面为激光提供反馈，有时也使用介质膜以优化输出。
第二种结构是在QC芯片上直接刻分布反馈光栅。这种结构（DFB-QCL）可以输出较窄的光谱，但是输出功率却比FP-QCL结构低很多。通过最大范围的温度调谐，DFB-QCL还可以提供有限的波长调谐（通过缓慢的温度调谐获得10~20cm-1的调谐范围，或者通过快速注入电流加热调谐获得2~3cm-1的范围）。
第三种结构是将QC芯片和外腔结合起来，形成ECqcL。[5],[6]这种结构既可以提供窄光谱输出，又可以在QC芯片整个增益带宽上（数百cm-1）提供快调谐（速度超过10ms）。由于ECqcL结构使用低损耗元件，因此它可在便携式电池供电的条件下高效运作。
ECqcL的主要元件
QC半导体芯片只能作为增益介质，必须以其为中心设计激光腔。裸片粘接、热管理、介质膜、微光学元件、波长控制、电子驱动以及封装等诸多因素，都对ECqcL能够可靠地提供上述优点发挥着关键作用。
适当选择焊接和热沉材料对于QC的裸片粘接至关重要。此外，长期可靠性很大程度上依赖于正确执行QC的设计过程，这些过程包括植入异质结和脊波导，以及表和外延式安装配置。
此外，还必须要使用高性能介质膜来优化输出。目前，已经有反射率小于0.001的介质膜应用于ECqcL器件中。这些薄膜在提供较宽带宽（数百个波数）的同时，还能在高温和压力负荷下保持高性能。
结合高效率的电子设备，ECqcL现在可以使用普通的电池源驱动。使用一节简单的AA电池（一次充电）可以使紧凑型“热激光笔”以超过50mW的功率工作数小时，而且不需要冷却功能。即使集成到传感器系统中，一次电池充电可以使之连续工作超过4个小时来提供实时数据。
由于输出光具有较大的发散角，这是大部分半导体激光器的特性，一般都需要使用大数值孔径（NA）的光学元件提供近衍射极限的输出特性。在一个典型的例子中，使用大NA（大于0.8）微光学元件准直的ECqcL，在远场的强度分布显示其M2优于1.2。
QC技术最吸引人之处可能便是：它可以从单一器件中获得较宽的波长调谐范围，同时还能保持优异的光谱纯度。[7]目前，商用ECqcL产品的单模输出调谐范围可以达到300个波数（见图2）。[8]同时，每个波长的调谐精度优于104分之一。在10ms之内可以调谐整个增益波段，并且保持窄带输出特性。（图片）
图2：使用ECqcL结构（右图）可以实现超宽带单模调谐（左图）。 将ECqcL集成到密闭的蝶形封装中，并带有热电温度控制。在封装内部，QC增益介质被制成一个部件。这种结构可以使所有光功率集中到单一的高功率近衍射极限输出光束中（见图3）。封装的总体积大约为0.8in.3，重量小于2盎司。（图片）
图3：密闭封装的ECqcL（右）可以输出较高的功率。数据显示ECqcL可以在室温下输出4~5µm的激光。 应用拓展
外腔QCL技术的应用正在向诸多市场领域拓展。在医疗诊断领域，正在利用QCL技术开发便携式、可佩带的传感器用于无创伤葡萄糖检测；基于ECqcL的传感器正在用于标准的呼吸检测仪以及无创伤医疗诊断。[9]在个人安全领域，正在利用QCL技术来保证在工业环境中的工人可以连续监测他们所处环境中有毒气体的水平。此外，利用QCL技术还可以实时测量氮氧化合物、硫氧化合物、二氧化碳、一氧化碳，氨以及其他燃烧气体，以保证最大限度地减少海洋和工业环境中的燃料消耗和排放。
所有这些传感器可集成无线功能，从而在一个中央服务器中实现实时数据监测和存储。此外，还可以建立环境监测网络，用于提供广域或局域覆盖，并在时间和空间上进行空气质量监测（见图4）。[10]（图片）
图4：该环境监测装置曾用于检测2008年北京奥运会期间的空气质量。 ECqcL技术也正在用于照明领域。国防领域的研究人员正在检测“热激光笔”，将其应用于新的低成本热成像摄像机时，这些设备是理想的“闪光灯”，能提高挥发性气体排放检测的灵敏度，同时还能作为爆炸物检测和识别的远程应用光源。
目前高功率ECqcL的功率已经提高到了数瓦量级。ECqcL在尺寸、重量和功耗方面的优势，使其成为了一些应用的理想替代产品，这些应用包括用于军用和商用飞行器保护的红外对抗，以及主动红外成像和长距离远程检测应用。
参考文献：
1. Z. Liu et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 18(12) (2006).
2. C. Gmachl et al., Nature 415, p. 883 (2002).
3. S. Howard et al., IEEE Sel. Top. Quant. Elect. 13(5) p. 1054 (2007).
4. Y. Bai et al., Appl. Phys. Lett. 92, p. 101105-1 (2008).
5. G. Wysocki et al., Appl. Phys. B 92, p.305 (2008).
6. T. Day et al.,“Miniaturized external-cavity quantum-cascade lasers for broad tunability in the mid-infrared,”CLEO and 2006 QELS (May 2006).
7. R. Maulini et al., Appl. Phys. Lett. 88, p. 201113, 2006.
8. www.daylightsolutions.com.
9. T. Risby and S. Solga, Appl. Phys. B 85, p. 421 (2006).
10. MIRTHE (mid-InfraRed Technologies for the Health and Environment), an NSF Engineering Research Center headquartered at Princeton University
11/7/2009
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