量子级联激光器.ppt

1.量子级联激光器概述 2.量子级联激光器基本结构与工作原理 3.量子级联激光器材料研发 4.量子级联激光器相关应用 5.量子级联激光器存在问题及解决方法 6.量子级联激光器未来展望 普通半导体激光器由于受到化学结构的制约，使其大约以相当于导带价带差的能量向外辐射光，因此不能发射中远红外范围的光。而于1994年，美国贝尔实验室发明的以GaInAs/AlInAs作为量子阱材料的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser QCL)由于其在中红外光方面的表现而开创了具有基础性、战略性、前瞻性的半导体激光前沿领域。 量子级联激光器是一种多层的量子阱结构，每一层结构包括一个注入区和一个激发区，其中激发区为三个耦合量子阱。这种激光器的光子产生依赖于电子能级在耦合量子阱中的台阶分布。当电子从一个高能级量子阱跃迁入另一个低能级量子阱中时将产生一个光子。从发光机理上看，这是一种新型激光器，因为其并不像普通激光二极管那样依赖电子与空穴的符合产生光子。 子级量子阱 三个量子阱 注入区 激发区 注入区的作用是冷却上一个激发区被加速了的电子 与传统半导体激光器不同，量子级联激光器是一种单极型激光器，只依赖一种载流子。在有外加电场的情况下，利用电子量子隧穿通过由一组耦合量子阱构成的注入区，到达由另一组耦合量子阱构成的有源区，导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量，发射光子并隧穿到下一级，成为下一级相似结构的注入电子。 如上图所示，活跃区能带呈现阶梯状。粒子数反转在n=3和n=2激发态间形成。 主要应用方向 痕量气体检测应用领域 大气通信应用领域 非侵入式医学诊断与红外成像领域 主要问题之一： 电子在穿越不同量子阱界面时。QCL性能受到量子阱界面缺陷、粗糙散射影响，同时由于处于不同量子阱，导致产生跃迁的上下能级波函数叠加较少，降低了受激跃迁的几率。 主要解决方法： 采用垂直跃迁有源区结构 耦合三量子阱垂直跃迁有源区结构 结构特点： 受激辐射跃迁过程的上下能级在同一个量子阱中，使得电子的跃迁几率得到了提高，从而使QCL获得更大的增益。 １９９７年贝尔实验室提出超晶格有源区结构,电子在超晶格形成的微带中辐射跃迁产生，利用电子在微带内的快速弛豫实现粒子数反转。与量子阱有源区比较，超晶格有源区可承受更大的驱动电流，从而可获得大的输出光功率； ２００１年Ｆａｉｓｔ小组分析了量子阱有源区结构具有高注入效率的优势，但电子隧穿时间长、排空速度慢，而超晶格有源区结构则具有微带排空时间极快的优势，提出了由束缚态到连续态跃迁的新思路。 QCL器件供作有源区由数百层纳米外延层组成 量子阱界面面功率较高 器件有源区热损耗较大 器件工作效率较低 主要问题之二： 主要解决方法： 综上所述QCL相对于一般半导体激光器具有以下特点：